JP2022544637A - Spatially multiplexed volume Bragg gratings with various refractive index modulations for waveguide displays - Google Patents
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- G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
- G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
- G02B6/0016—Grooves, prisms, gratings, scattering particles or rough surfaces
Abstract
導波路ディスプレイは、可視光を透過させる導波路と、導波路上の、および第1の屈折率変調によって特徴付けられる、第1の体積ブラッグ格子(VBG)と、導波路上の、および異なるそれぞれの屈折率変調によって特徴付けられる複数の領域を含む、第2の反射VBGと含む。第1の反射VBGは、第1の波長範囲および第1の視野(FOV)範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、第1の波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光は、導波路内を、全内部反射を通じて、第2の反射VBGの複数の領域まで伝播する。第2の反射VBGの複数の領域は、第1の波長範囲内の異なるそれぞれの波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光を回折するように構成される。【選択図】図36The waveguide display comprises a waveguide that transmits visible light, a first volume Bragg grating (VBG) on the waveguide and characterized by a first refractive index modulation, a first volume Bragg grating (VBG) on the waveguide and a different and a second reflective VBG comprising a plurality of regions characterized by a refractive index modulation of . The first reflective VBG is configured to diffract display light in a first wavelength range and a first field of view (FOV) range, resulting in the first wavelength range and first FOV range. The display light propagates within the waveguide through total internal reflection to multiple regions of the second reflected VBG. The plurality of regions of the second reflective VBG are configured to diffract display light in different respective wavelength ranges within the first wavelength range and the first FOV range. [Selection drawing] Fig. 36
Description
本発明は、概して、ニアアイディスプレイのための体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイに関する。 The present invention relates generally to volume Bragg grating-based waveguide displays for near-eye displays.
ヘッドマウントディスプレイ(HMD)またはヘッドアップディスプレイ(HUD)システムなどの人工現実システムは一般的に、例えば、ユーザの目の前約10~20mm以内の電子または光学ディスプレイを介して、ユーザにコンテンツを提示するように構成されるニアアイディスプレイ(例えば、ヘッドセットまたは眼鏡の形態にある)を含む。ニアアイディスプレイは、仮想現実(VR)、拡張現実(AR)、または複合現実(MR)応用のように、仮想物体を表示し得るか、または実物体の画像を仮想物体と組み合わせ得る。例えば、ARシステムにおいて、ユーザは、例えば、透明なディスプレイグラスまたはレンズを通して見ることによって(しばしば、光学シースルーと呼ばれる)、仮想物体(例えば、コンピュータ生成画像(CGI))および周囲環境の両方の画像を見ることができる。 Artificial reality systems, such as head-mounted display (HMD) or head-up display (HUD) systems, typically present content to users via electronic or optical displays within about 10-20 mm in front of the user, for example. including near-eye displays (eg, in the form of headsets or eyeglasses) configured to Near-eye displays can display virtual objects or combine images of real objects with virtual objects, such as in virtual reality (VR), augmented reality (AR), or mixed reality (MR) applications. For example, in AR systems, a user sees images of both virtual objects (e.g., computer-generated images (CGI)) and the surrounding environment, e.g., by looking through transparent display glasses or lenses (often referred to as optical see-through). can see.
光学シースルーARシステムの一例は、導波路ベースの光学ディスプレイを使用し得、この場合、投射画像の光は、導波路(例えば、透明基板)内にカップリングされ、導波路内を伝播し、異なる場所で導波路からカップリングアウトされ得る。いくつかの実装形態において、投射画像の光は、格子などの回折光学素子を使用して、導波路内にカップリングされ得るか、または導波路からカップリングアウトされ得る。周囲環境からの光は、導波路のシースルー領域を通過し、同様にユーザの目に到達し得る。 An example of an optical see-through AR system may use a waveguide-based optical display, where the light of the projected image is coupled into a waveguide (e.g., a transparent substrate), propagates within the waveguide, and has different It can be coupled out from the waveguide at a location. In some implementations, the light of the projected image can be coupled into or out of the waveguide using a diffractive optical element such as a grating. Light from the ambient environment can pass through the see-through region of the waveguide and reach the user's eyes as well.
本発明は、概して、ニアアイディスプレイのための体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイに関する。より詳細には、本明細書に開示されるのは、アイボックスを拡張するため、表示ヘイズを低減するため、物理的サイズを低減するため、光学効率を向上するため、光学アーチファクトを低減するため、および体積ブラッグ格子(VBG)カプラを使用して光学シースルーニアアイディスプレイシステムの視野を増大するための技法である。デバイス、システム、方法などを含む様々な発明の実施形態が本明細書に説明される。 The present invention relates generally to volume Bragg grating-based waveguide displays for near-eye displays. More specifically, it is disclosed herein to extend the eyebox, reduce display haze, reduce physical size, improve optical efficiency, reduce optical artifacts. , and techniques for increasing the field of view of optical see-through near-eye display systems using volume Bragg grating (VBG) couplers. Various inventive embodiments are described herein including devices, systems, methods, and so on.
1つの態様において、本発明は、基板と、基板上の、および第1の屈折率変調によって特徴付けられる、第1の反射VBGと、基板上の、および第1の領域および第2の領域を含む、第2の反射VBGとを含み得る導波路ディスプレイを提供する。第1の反射VBGは、第1の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、第1の波長範囲にある表示光は、基板内を、全内部反射を通じて、第2の反射VBGの第1の領域および第2の領域まで伝播する。第2の反射VBGの第1の領域は、第1の屈折率変調よりも低い第2の屈折率変調によって特徴付けられ得、第1の波長範囲内にある第2の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第2の反射VBGの第2の領域は、第2の屈折率変調よりも大きい第3の屈折率変調によって特徴付けられ得、第2の波長範囲を含み、またこれよりも大きい第3の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第2の反射VBGの第1の領域および第2の領域は、第1の波長範囲にある表示光が第1の領域に到達した後に第2の領域に到達するように配置され得る。 In one aspect, the present invention provides a substrate, a first reflective VBG, on the substrate, and characterized by a first refractive index modulation, on the substrate, and the first and second regions. and a second reflective VBG. The first reflective VBG is configured to diffract the display light in the first wavelength range such that the display light in the first wavelength range passes through the substrate through total internal reflection to the second propagates to the first and second regions of the reflected VBG. The first region of the second reflected VBG may be characterized by a second refractive index modulation that is lower than the first refractive index modulation, and display light in a second wavelength range that is within the first wavelength range. can be configured to diffract the A second region of the second reflective VBG may be characterized by a third refractive index modulation that is greater than the second refractive index modulation and includes a second wavelength range and a third wavelength that is greater than the second wavelength range. It can be configured to diffract display light in a range. The first and second regions of the second reflected VBG may be arranged such that display light in the first wavelength range reaches the second region after reaching the first region.
いくつかの実施形態において、第1の反射VBGおよび第2の反射VBGは、基板の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。第3の屈折率変調は、第1の屈折率変調に等しい、またはこれ未満であってもよく、第1の波長範囲は、第3の波長範囲と同じであり得るか、またはこれを含む。いくつかの実施形態において、第2の反射VBGは、第1の領域と第2の領域との間に第3の領域をさらに含み得、第3の領域は、第2の屈折率変調よりも大きいが第3の屈折率変調よりも低い第4の屈折率変調によって特徴付けられ得、第2の波長範囲を含み、また第3の波長範囲内にある第4の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。 In some embodiments, the first reflected VBG and the second reflected VBG may have the same grating vector in the plane perpendicular to the surface normal direction of the substrate. The third refractive index modulation may be equal to or less than the first refractive index modulation, and the first wavelength range may be the same as or include the third wavelength range. In some embodiments, the second reflective VBG may further include a third region between the first region and the second region, the third region having a higher refractive index than the second refractive index modulation. displaying light in a fourth wavelength range that includes the second wavelength range and is within the third wavelength range, characterized by a fourth refractive index modulation that is greater but less than the third refractive index modulation; It can be configured to diffract.
いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、第1の反射VBGと多重化され、第4の屈折率変調によって特徴付けられる第3の反射VBGと、第1の領域および第2の領域内の第2の反射VBGと多重化される第4の反射VBGとをさらに含み得る。第3の反射VBGは、第4の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、第4の波長範囲にある表示光は、基板内を、全内部反射を通じて、第4の反射VBGの第1の領域および第2の領域まで伝播する。第4の反射VBGの第1の領域は、第4の屈折率変調よりも低い第5の屈折率変調によって特徴付けられ得、第4の波長範囲内にある第5の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第4の反射VBGの第2の領域は、第5の屈折率変調よりも大きい第6の屈折率変調によって特徴付けられ得、第5の波長範囲を含み、またこれよりも大きい第6の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。 In some embodiments, the waveguide display is multiplexed with a first reflective VBG, a third reflective VBG characterized by a fourth refractive index modulation, and a It may further include a fourth reflection VBG multiplexed with the second reflection VBG. The third reflective VBG is configured to diffract the display light in the fourth wavelength range such that the display light in the fourth wavelength range passes through the substrate through total internal reflection to the fourth wavelength. propagates to the first and second regions of the reflected VBG. The first region of the fourth reflective VBG may be characterized by a fifth refractive index modulation lower than the fourth refractive index modulation, the display light being in a fifth wavelength range within the fourth wavelength range. can be configured to diffract the A second region of the fourth reflective VBG may be characterized by a sixth refractive index modulation greater than the fifth refractive index modulation, including a fifth wavelength range and a sixth wavelength greater than the fifth wavelength range. It can be configured to diffract display light in a range.
いくつかの実施形態において、第1の反射VBGは、第1の波長範囲および第1の視野(FOV)範囲にある表示光を回折し、また第4の波長範囲および第1のFOV範囲とは異なる第2のFOV範囲にある表示光を回折するように構成され得る。いくつかの実施形態において、基板は、可視光を透過させ得、第2の反射VBGは、周囲環境からの可視光を透過させ得る。いくつかの実施形態において、第1の反射VBGは、第1の波長範囲にある表示光を基板内にカップリングするように構成され得、第2の反射VBGは、第1の波長範囲にある表示光を基板からカップリングするように構成され得る。いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、第3の格子および第4の格子をさらに含み得、第3の格子は、第1の反射VBGからの第1の波長範囲にある表示光を第4の格子へ回折するように構成され得、第4の格子は、第4の格子の2つ以上の領域における第1の波長範囲にある表示光を第2の反射VBGへ回折するように構成され得る。第3の格子および第4の格子は、基板の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。 In some embodiments, the first reflected VBG diffracts display light in a first wavelength range and a first field of view (FOV) range, and a fourth wavelength range and a first FOV range. It can be configured to diffract display light in a different second FOV range. In some embodiments, the substrate may be transparent to visible light and the second reflective VBG may be transparent to visible light from the surrounding environment. In some embodiments, the first reflected VBG may be configured to couple display light in the first wavelength range into the substrate, and the second reflected VBG is in the first wavelength range. It may be configured to couple display light from the substrate. In some embodiments, the waveguide display may further include a third grating and a fourth grating, the third grating directing display light in the first wavelength range from the first reflected VBG to a third grating. The fourth grating may be configured to diffract to four gratings, the fourth grating configured to diffract display light in the first wavelength range in the two or more regions of the fourth grating to the second reflected VBG. can be The third grating and the fourth grating may have the same grating vector in a plane perpendicular to the surface normal direction of the substrate.
いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、第1の波長範囲にある表示光を基板内にカップリングするように構成される入力カプラと、第2の反射VBGによって回折された表示光を基板からカップリングアウトするように構成される出力カプラとをさらに含み得る。入力カプラおよび出力カプラは、多重化VBGを含み得る。いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、表示光を生成するように構成される光源と、表示光をコリメートし、表示光を第1の反射VBGへ向けるように構成されるプロジェクタ光学系とをさらに含み得る。 In some embodiments, the waveguide display includes an input coupler configured to couple display light in a first wavelength range into the substrate and display light diffracted by a second reflected VBG into the substrate. and an output coupler configured to couple out from. The input and output couplers may contain multiplexed VBGs. In some embodiments, the waveguide display includes a light source configured to generate display light, and projector optics configured to collimate the display light and direct the display light toward the first reflected VBG. can further include
別の態様において、本発明は、可視光を透過させる導波路と、導波路上の、および第1の屈折率変調によって特徴付けられる、第1のVBGと、導波路上の、および異なるそれぞれの屈折率変調によって特徴付けられる複数の領域を含む、第2の反射VBGとを含み得る導波路ディスプレイを提供する。第1の反射VBGは、第1の波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光を回折するように構成され得、その結果として、第1の波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光は、導波路内を、全内部反射を通じて、第2の反射VBGの複数の領域まで伝播し得る。第2の反射VBGの複数の領域は、第1の波長範囲内の異なるそれぞれの波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第1の反射VBGおよび第2の反射VBGは、導波路の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。 In another aspect, the invention provides a waveguide transparent to visible light, a first VBG on the waveguide and characterized by a first refractive index modulation, and a different respective VBG on the waveguide and on the waveguide. A waveguide display is provided that may include a second reflective VBG that includes a plurality of regions characterized by refractive index modulation. The first reflective VBG may be configured to diffract display light in the first wavelength range and the first FOV range, resulting in display light in the first wavelength range and the first FOV range. may propagate in the waveguide through total internal reflection to regions of the second reflected VBG. The plurality of regions of the second reflective VBG may be configured to diffract display light in different respective wavelength ranges within the first wavelength range and the first FOV range. The first reflection VBG and the second reflection VBG may have the same grating vector in the plane perpendicular to the plane normal direction of the waveguide.
導波路ディスプレイのいくつかの実施形態において、第1の屈折率変調、および第2の反射VBGの複数の領域の異なるそれぞれの屈折率変調のうちの少なくとも1つは、回折効率飽和のための最小屈折率変調よりも大きくてもよい。いくつかの実施形態において、第2の反射VBGの複数の領域は、第1の波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光が、第2の屈折率変調を有する複数の領域の第1の領域に到達した後に、第2の屈折率変調よりも大きい第3の屈折率変調を有する複数の領域の第2の領域に到達し得るように構成され得る。 In some embodiments of the waveguide display, at least one of the first refractive index modulation and different respective refractive index modulations of the plurality of regions of the second reflective VBG is a minimum for diffraction efficiency saturation. It may be larger than the refractive index modulation. In some embodiments, the plurality of regions of the second reflective VBG is such that the display light in the first wavelength range and the first FOV range is the first of the plurality of regions having the second refractive index modulation. After reaching the region, it may be configured to reach a second region of the plurality of regions having a third refractive index modulation greater than the second refractive index modulation.
いくつかの実施形態において、第1の反射VBGは、第1の波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光を導波路内にカップリングするように構成され得、第2の反射VBGは、第1の波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光を導波路からカップリングアウトするように構成され得、周囲環境からの可視光を透過させ得る。いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、第3の格子および第4の格子も含み得る。第3の格子は、第1の反射格子からの第1の波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光を第4の格子へ回折するように構成され得る。第4の格子は、第4の格子の2つ以上の領域における第1の波長範囲および第1のFOV範囲にある表示光を第2の反射VBGへ回折するように構成され得る。第3の格子および第4の格子は、導波路の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。 In some embodiments, the first reflected VBG can be configured to couple display light in the first wavelength range and the first FOV range into the waveguide, and the second reflected VBG can: It may be configured to couple out display light in a first wavelength range and a first FOV range from the waveguide, and may transmit visible light from the ambient environment. In some embodiments, the waveguide display can also include a third grating and a fourth grating. A third grating may be configured to diffract display light in the first wavelength range and the first FOV range from the first reflective grating to the fourth grating. A fourth grating may be configured to diffract display light in the first wavelength range and the first FOV range in two or more regions of the fourth grating to the second reflected VBG. The third grating and the fourth grating may have the same grating vector in the plane perpendicular to the plane normal direction of the waveguide.
本発明は、添付の特許請求の範囲に規定される。この発明の概要は、特許請求された主題の主要または必須の特徴を特定することを意図するものでも、特許請求された主題の範囲を決定するために孤立して使用されることを意図するものでもない。主題は、本開示の明細書全体の適切な部分、任意またはすべての図面、および各特許請求項への参照により理解されるものとする。前述したことは、他の特徴および例と併せて、以下に続く明細書、特許請求の範囲、および添付の図面において、以下により詳細に説明される。本明細書に説明される態様のいずれかにおける包含に好適であるとして論じられるいかなる特徴も、任意の組み合わせで他の態様のいずれかにおける包含にも好適であるということを理解されたい。 The invention is defined in the appended claims. This Summary of the Invention is not intended to identify key or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used in isolation to determine the scope of the claimed subject matter not. The subject matter is to be understood by reference to appropriate portions of the entire specification, any or all drawings, and claims of the present disclosure. The foregoing, along with other features and examples, are explained in more detail below in the specification, claims, and accompanying drawings that follow. It is to be understood that any feature discussed as suitable for inclusion in any of the aspects described herein is also suitable for inclusion in any of the other aspects, in any combination.
例証的な実施形態は、以下に続く図を参照して、以下に詳細に説明される。 Illustrative embodiments are described in detail below with reference to the following figures.
図は、例証の目的のためだけに、本発明の実施形態を描写する。当業者は、以下の説明から、例証された構造および方法の代替の実施形態が、本発明の、原則、または、うたわれた利益から逸脱することなく採用され得ることを理解するものとする。 The figures depict embodiments of the present invention for purposes of illustration only. Those skilled in the art will appreciate from the following description that alternate embodiments of the structures and methods illustrated can be employed without departing from the principles or claimed benefits of the present invention.
添付の図において、同様の構成要素および/または特徴は、同じ参照ラベルを有し得る。さらに、同じタイプの様々な構成要素は、参照ラベルにダッシュ記号を続けることによって、および同様の構成要素同士を区別する第2のラベルによって区別され得る。第1の参照ラベルのみが明細書において使用される場合、その説明は、第2の参照ラベルにかかわらず、同じ第1の参照ラベルを有する同様の構成要素のうちの任意の1つに適用可能である。 In the accompanying figures, similar components and/or features may have the same reference label. Additionally, various components of the same type may be distinguished by following the reference label with a dash and by a second label that distinguishes between similar components. If only the first reference label is used in the specification, the description is applicable to any one of the similar components having the same first reference label regardless of the second reference label. is.
本発明は、概して、ニアアイディスプレイシステムのための体積ブラッグ格子(VBG)ベースの導波路ディスプレイに関する。ニアアイディスプレイシステムにおいては、概して、アイボックスを拡大すること、表示ヘイズを低減すること、画像品質(例えば、解像度およびコントラスト)を向上すること、物理的サイズを低減すること、電力効率を増大すること、および視野を増大することが望ましい。導波路ベースのニアアイディスプレイシステムにおいて、投射画像の光は、導波路(例えば、透明基板)内にカップリングされ、導波路内を伝播し、射出瞳を複製しアイボックスを拡大するために異なる場所で導波路からカップリングアウトされ得る。2つ以上の格子が、射出瞳を2つの次元において拡大するために使用され得る。拡張現実応用のための導波路ベースのニアアイディスプレイシステムにおいて、周囲環境からの光は、導波路ディスプレイの少なくともシースルー領域(例えば、透明基板)を通過し、ユーザの目に到達し得る。いくつかの実装形態において、投射画像の光は、格子などの回折光学素子を使用して、導波路内にカップリングされ得るか、または導波路からカップリングアウトされ得る。 The present invention relates generally to volume Bragg grating (VBG)-based waveguide displays for near-eye display systems. In near-eye display systems, generally enlarging the eyebox, reducing display haze, improving image quality (e.g., resolution and contrast), reducing physical size, and increasing power efficiency and to increase the field of view. In a waveguide-based near-eye display system, the light of the projected image is coupled into a waveguide (e.g., a transparent substrate), propagates within the waveguide, and diverges to replicate the exit pupil and enlarge the eyebox. It can be coupled out from the waveguide at a location. More than one grating can be used to expand the exit pupil in two dimensions. In waveguide-based near-eye display systems for augmented reality applications, light from the surrounding environment can pass through at least the see-through region (eg, transparent substrate) of the waveguide display and reach the user's eyes. In some implementations, the light of the projected image can be coupled into or out of the waveguide using a diffractive optical element such as a grating.
回折光学素子を使用して実装される光学カプラは、格子効率の角度依存に起因して、限られた視野を有し得る。したがって、複数の入射角からの(例えば、異なる視野からの)カプラへの光入射は、等価または同様の効率で回折されない場合がある。加えて、回折光学素子を使用して実装されるカプラは、異なる色の光の間で分散を引き起こし得、異なる色の光では異なる回折角度を有し得る。したがって、カラー画像内の異なる光成分は、互いと重複しない場合がある。故に、表示された画像の品質(例えば、色再現中立性)が低減され得る。さらには、異なる色の光のための視野は、導波路ディスプレイによって導かれ得る光の、光分散および波動ベクトルの限られた範囲に起因して、低減され得るか、または部分的にクリッピングされ得る。分散を低減し、視野(FOV)範囲および回折効率を向上するために、異なる色成分のための異なる視野をカバーするために多くの多重化格子を含む厚い透過および/または反射VBG格子が使用され得、これは、多くの場合は非実用的であり得、ならびに/または格子の厚さおよび多重化VBG格子を記録するための大量の露光に起因して、著しい表示およびシースルーヘイズを引き起こし得る。例えば、いくつかの場合においては、1mmよりも大きい厚さを有する透過VBG格子が、分散を低減し、所望のFOV範囲および回折効率を達成するために必要とされ得る。比較的より小さい厚さを有する反射VBG格子が、所望の性能を達成するために使用されてもよい。しかしながら、反射格子では、二次元瞳拡大のための格子は、重複しない場合があり、故に、導波路ディスプレイの物理的サイズは大きくなり得、表示ヘイズは、依然として著しくなり得る。 Optical couplers implemented using diffractive optical elements may have a limited field of view due to the angular dependence of grating efficiency. Therefore, light incident on the coupler from multiple angles of incidence (eg, from different fields of view) may not be diffracted with equal or similar efficiency. In addition, couplers implemented using diffractive optical elements may cause dispersion between different colors of light, and different colors of light may have different diffraction angles. Therefore, different light components in a color image may not overlap each other. Hence, the quality of the displayed image (eg, color reproduction neutrality) may be reduced. Furthermore, the field of view for light of different colors may be reduced or partially clipped due to the limited range of light dispersion and wavevectors of light that can be guided by waveguide displays. . To reduce dispersion and improve field-of-view (FOV) range and diffraction efficiency, thick transmissive and/or reflective VBG gratings containing many multiplexed gratings are used to cover different fields of view for different color components. In many cases, this can be impractical and/or can cause significant display and see-through haze due to the thickness of the grating and the large amount of exposure for recording multiplexed VBG gratings. For example, in some cases a transmission VBG grating with a thickness greater than 1 mm may be required to reduce dispersion and achieve the desired FOV range and diffraction efficiency. A reflective VBG grating with a relatively smaller thickness may be used to achieve the desired performance. However, with reflective gratings, the gratings for two-dimensional pupil expansion may not overlap, so the physical size of the waveguide display can be large and the display haze can still be significant.
特定の実施形態によると、一致する格子ベクトルを伴う(例えば、透明基板の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有する)2つのVBG格子(または同じ格子の2つの部分)が、表示光を回折し、射出瞳を1つの次元において拡大するために使用され得る。2つのVBG格子は、2つのVBG格子における反対のブラッグ条件(例えば、+1次および-1次回折)に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、分散全体を低減し得る。したがって、薄いVBG格子が使用され得、所望の解像度を依然として達成し得る。分散補償が理由で、薄い透過VBG格子が、所望の解像度を達成するために使用され得、二次元瞳拡大のための格子は、導波路ディスプレイの物理的サイズを低減するために少なくとも部分的に重複し得る。 According to certain embodiments, two VBG gratings (or two portions of the same grating) with matching grating vectors (e.g., having the same grating vector in the plane perpendicular to the surface normal direction of the transparent substrate) are displayed. It can be used to diffract light and enlarge the exit pupil in one dimension. The two VBG gratings can compensate for the dispersion of the display light caused by each other and reduce the overall dispersion due to the opposite Bragg conditions (eg, +1st and −1st orders of diffraction) in the two VBG gratings. . Therefore, a thin VBG grating can be used and still achieve the desired resolution. Because of dispersion compensation, a thin transmissive VBG grating can be used to achieve the desired resolution, and a grating for two-dimensional pupil expansion is at least partially used to reduce the physical size of the waveguide display. can be duplicated.
いくつかの実施形態において、所望のFOV、カップリング効率、および全FOVおよび色スペクトルにわたるカップリング効率均一性を達成するため、多重化VBGを含む複数のVBG層が、1つまたは複数の導波路プレートに形成され得る。各VBG層は、比較的高い効率で特定のFOVおよび/または色範囲内の光をカップリングするために使用され得、複数のVBG層の組み合わせが、比較的高くかつ均一なカップリング効率で所望のFOVおよび色範囲の完全なカバレッジを提供し得る。 In some embodiments, to achieve the desired FOV, coupling efficiency, and coupling efficiency uniformity across the entire FOV and color spectrum, multiple VBG layers including multiplexed VBGs are integrated into one or more waveguides. It can be formed into a plate. Each VBG layer can be used to couple light within a particular FOV and/or color range with relatively high efficiency, and a combination of multiple VBG layers is desired with relatively high and uniform coupling efficiency. of FOV and full coverage of color gamut.
いくつかの実施形態において、第1のVBG格子の対(または格子の2つの部分)は、射出瞳を1つの次元において拡大し、互いによって引き起こされる分散を補償するために使用され得、第2のVBG格子の対(または格子の2つの部分)は、射出瞳を別の次元において拡大するために使用され得、互いによって引き起こされる分散を補償し得る。故に、射出瞳は、2つの次元において複製され得、表示画像の解像度は、両方の次元において高くなり得る。 In some embodiments, a first pair of VBG gratings (or two portions of gratings) can be used to expand the exit pupil in one dimension and compensate for dispersion caused by each other; A pair of VBG gratings (or two portions of the gratings) can be used to expand the exit pupil in another dimension and compensate for the dispersion caused by each other. Hence, the exit pupil can be replicated in two dimensions and the resolution of the displayed image can be increased in both dimensions.
特定の実施形態によると、格子の第1の対および/または第2の対は各々、多重化反射体積ブラッグ格子を含み得る。多重化反射VBGは、高い回折効率、および多重化反射VBG内の反射VBG間の低いクロストークを有し得る反射VBGを含み得る。いくつかの実施形態において、反射VBGは、回折効率飽和のための最小屈折率変調よりも大きい屈折率変調を有し得、故に、高い回折効率ならびに幅広の半値半幅(FWHM)波長範囲および/またはFWHM角度範囲を有し得る。そのようなものとして、より少ない反射VBGが、導波路ディスプレイの効率および性能を向上させるため、光源の波長範囲および全FOVをカバーするために使用され得る。 According to certain embodiments, the first pair and/or the second pair of gratings may each include multiplexed reflective volume Bragg gratings. A multiple reflection VBG may include reflection VBGs that may have high diffraction efficiency and low crosstalk between reflection VBGs within the multiple reflection VBG. In some embodiments, the reflective VBG may have a refractive index modulation greater than the minimum refractive index modulation for diffraction efficiency saturation, thus resulting in high diffraction efficiency and a wide half-width-half-maximum (FWHM) wavelength range and/or It can have a FWHM angle range. As such, a less reflective VBG can be used to cover the wavelength range and full FOV of the light source to improve the efficiency and performance of the waveguide display.
いくつかの実施形態において、格子の第1の対および/または格子の第2の対の各々は、第1の屈折率変調によって特徴付けられる第1の反射VBG、および異なるそれぞれの屈折率変調によって特徴付けられる複数の領域を含む第2の反射VBGを含み得る。第1の反射VBGは、第1の波長範囲(および/または第1のFOV範囲)にある表示光を回折するように構成され得、その結果として、第1の波長範囲(および/または第1のFOV範囲)にある表示光は、導波路内を、全内部反射を通じて、第2の反射VBGの複数の領域まで伝播し得る。第2の反射VBGの複数の領域は、異なるそれぞれの屈折率変調に起因して、第1の波長範囲(および/または第1のFOV範囲)内の異なるそれぞれの波長(および/またはFOV)範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第1の反射VBGおよび第2の反射VBGは、分散を低減するために導波路の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。第1の屈折率変調、および第2の反射VBGの複数の領域の異なるそれぞれの屈折率変調のうちの少なくとも1つは、回折効率飽和のための最小屈折率変調よりも大きくてもよい。第2の反射VBGの複数の領域は、第1の波長範囲(および/または第1のFOV範囲)にある表示光が、複数の領域におけるより低い屈折率変調を有する第1の領域に到達した後に、複数の領域におけるより高い屈折率変調を有する第2の領域に到達するように、配置され得る。このやり方では、第1の波長範囲(および/または第1のFOV)のより狭い部分にある表示光は、第1の領域によって回折され得、第1の波長範囲(および/または第1のFOV)にあるがより狭い部分の外側にある表示光は、第2の領域によって回折され得る。 In some embodiments, each of the first pair of gratings and/or the second pair of gratings has a first reflective VBG characterized by a first refractive index modulation and a different respective refractive index modulation. A second reflective VBG may be included that includes multiple regions to be characterized. The first reflective VBG may be configured to diffract display light in a first wavelength range (and/or first FOV range) such that the first wavelength range (and/or first FOV range) Display light in the FOV range of ) can propagate in the waveguide through total internal reflection to multiple regions of the second reflected VBG. The plurality of regions of the second reflected VBG have different respective wavelength (and/or FOV) ranges within the first wavelength range (and/or first FOV range) due to different respective refractive index modulations. can be configured to diffract the display light at The first reflection VBG and the second reflection VBG may have the same grating vector in the plane perpendicular to the plane normal direction of the waveguide to reduce dispersion. At least one of the first refractive index modulation and the different respective refractive index modulations of the plurality of regions of the second reflective VBG may be greater than the minimum refractive index modulation for diffraction efficiency saturation. Regions of the second reflected VBG are such that display light in the first wavelength range (and/or the first FOV range) reaches the first region with lower refractive index modulation in the plurality of regions Later it can be arranged to reach a second region with a higher refractive index modulation in the plurality of regions. In this manner, display light in a narrower portion of the first wavelength range (and/or first FOV) can be diffracted by the first region, resulting in the first wavelength range (and/or first FOV) ) but outside the narrower portion may be diffracted by the second region.
以下の説明において、デバイス、システム、方法などを含む様々な発明の実施形態が説明される。説明の目的のため、特定の詳細事項は、本発明の例の完全な理解を提供するために明記される。しかしながら、様々な例が、これらの特定の詳細事項なしに実践され得ることは明白である。例えば、デバイス、システム、構造体、アセンブリ、方法、および他の構成要素は、不必要な詳細事項において例を不明瞭にすることがないように、ブロック図の形態にある構成要素として示され得る。他の場合において、周知のデバイス、プロセス、システム、構造体、および技法は、例を不明瞭にすることを回避するために、必要な詳細事項なしに示され得る。図および説明は、制限的であることは意図されない。本開示において採用されている用語および表現は、制限ではなく説明の用語として使用され、そのような用語および表現の使用において、示され説明される特徴の任意の等価物またはそれらの部分を排除する意図はない。「例」という言葉は、「例、事例、または例証としての役割を果たす」ことを意味するために本明細書で使用される。「例」として本明細書に説明される任意の実施形態または設計は、必ずしも、他の実施形態または設計よりも、好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。 In the following description, various inventive embodiments including devices, systems, methods, etc. are described. For purposes of explanation, specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of examples of the invention. It is evident, however, that various examples may be practiced without these specific details. For example, devices, systems, structures, assemblies, methods, and other components may be shown as components in block diagram form in order not to obscure the examples in unnecessary detail. . In other instances, well-known devices, processes, systems, structures, and techniques may be shown without necessary detail to avoid obscuring the examples. Illustrations and descriptions are not meant to be limiting. The terms and expressions employed in this disclosure are used as terms of description rather than of limitation, and use of such terms and expressions excludes any equivalents or portions thereof of the features shown and described. No intention. The word "example" is used herein to mean "serving as an example, instance, or illustration." Any embodiment or design described herein as an "example" is not necessarily to be construed as preferred or advantageous over other embodiments or designs.
図1は、特定の実施形態に従う、ニアアイディスプレイ120を含む人工現実システム環境100の例の簡略ブロック図である。図1に示される人工現実システム環境100は、ニアアイディスプレイ120、任意選択の外部撮像デバイス150、および任意選択の入力/出力インターフェース140を含み得、これらの各々が、任意選択のコンソール110に結合され得る。図1は、1つのニアアイディスプレイ120、1つの外部撮像デバイス150、および1つの入力/出力インターフェース140を含む人工現実システム環境100の例を示すが、任意の数のこれらの構成要素が、人工現実システム環境100に含まれてもよく、または構成要素のうちのいずれかが省略されてもよい。例えば、コンソール110と通信状態にある1つまたは複数の外部撮像デバイス150によって監視される複数のニアアイディスプレイ120が存在してもよい。いくつかの構成において、人工現実システム環境100は、外部撮像デバイス150、任意選択の入力/出力インターフェース140、および任意選択のコンソール110を含まなくてもよい。代替の構成において、異なるまたは追加の構成要素が、人工現実システム環境100に含まれてもよい。
FIG. 1 is a simplified block diagram of an example artificial
ニアアイディスプレイ120は、ユーザにコンテンツを提示するヘッドマウントディスプレイであってもよい。ニアアイディスプレイ120によって提示されるコンテンツの例は、画像、動画、音声、またはそれらの任意の組み合わせのうちの1つまたは複数を含む。いくつかの実施形態において、音声は、ニアアイディスプレイ120、コンソール110、または両方から音声情報を受信し、この音声情報に基づいて音声データを提示する外部デバイス(例えば、スピーカおよび/またはヘッドフォン)を介して提示され得る。ニアアイディスプレイ120は、互いに剛結合または非剛結合され得る1つまたは複数の剛体を含み得る。剛体同士の剛結合は、結合した剛体を単一の剛実体として作用させ得る。剛体同士の非剛結合は、剛体が互いに対して移動することを可能にし得る。様々な実施形態において、ニアアイディスプレイ120は、眼鏡を含む、任意の好適な形状因子で実装され得る。ニアアイディスプレイ120のいくつかの実施形態は、図2および図3に関して以下にさらに説明される。加えて、様々な実施形態において、本明細書に説明される機能性は、ニアアイディスプレイ120の外部の環境の画像および人工現実コンテンツ(例えば、コンピュータ生成画像)を組み合わせるヘッドセットにおいて使用され得る。したがって、ニアアイディスプレイ120は、拡張現実をユーザに提示するために、生成されたコンテンツ(例えば、画像、動画、音など)を用いてニアアイディスプレイ120の外部の物理的な現実世界環境の画像を拡張し得る。
Near-
様々な実施形態において、ニアアイディスプレイ120は、ディスプレイ電子機器122、ディスプレイ光学系124、およびアイトラッキングユニット130のうちの1つまたは複数を含み得る。いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ120はまた、1つまたは複数のロケータ126、1つまたは複数の位置センサ128、および慣性測定ユニット(IMU)132を含み得る。ニアアイディスプレイ120は、アイトラッキングユニット130、ロケータ126、位置センサ128、およびIMU132のうちのいずれかを省略し得るか、または様々な実施形態において追加の要素を含み得る。加えて、いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ120は、図1と併せて説明される様々な要素の機能を組み合わせた要素を含み得る。
In various embodiments, near-
ディスプレイ電子機器122は、例えば、コンソール110から受信されるデータに従って、ユーザに対して画像を表示し得るか、または画像の表示を促進し得る。様々な実施形態において、ディスプレイ電子機器122は、液晶ディスプレイ(LCD)、有機発光ダイオード(OLED)ディスプレイ、無機発光ダイオード(ILED)ディスプレイ、微小発光ダイオード(μLED)ディスプレイ、アクティブマトリックスOLEDディスプレイ(AMOLED)、透明OLEDディスプレイ(TOLED)、または何らかの他のディスプレイなど、1つまたは複数の表示パネルを含み得る。例えば、ニアアイディスプレイ120の1つの実装形態において、ディスプレイ電子機器122は、前面TOLEDパネル、背面表示パネル、および前面表示パネルと背面表示パネルとの間の光学構成要素(例えば、減衰器、偏光子、または回折もしくは分光フィルム)を含み得る。ディスプレイ電子機器122は、赤、緑、青、白、または黄などの主色の光を放出するために画素を含み得る。いくつかの実装形態において、ディスプレイ電子機器122は、画像の奥行きの主観的知覚を作り出すために、二次元パネルによって生成される立体視効果を通じて三次元(3D)画像を表示し得る。例えば、ディスプレイ電子機器122は、ユーザの左目および右目の前にそれぞれ位置付けられる左ディスプレイおよび右ディスプレイを含み得る。左および右ディスプレイは、立体視効果(例えば、画像を見ているユーザによる画像の奥行きの知覚)を作り出すために、互いに対して水平にシフトされた画像のコピーを提示し得る。
特定の実施形態において、ディスプレイ光学系124は、画像コンテンツを(例えば、光導波路およびカプラを使用して)光学的に表示するか、またはディスプレイ電子機器122から受信される画像光を拡大し、画像光と関連付けられた光学誤差を補正し、補正した画像光をニアアイディスプレイ120のユーザに提示し得る。様々な実施形態において、ディスプレイ光学系124は、例えば、基板、光導波路、アパーチャ、フレネルレンズ、凸レンズ、凹レンズ、フィルタ、入力/出力カプラ、またはディスプレイ電子機器122から放出される画像光に影響を及ぼし得る任意の他の好適な光学素子など、1つまたは複数の光学素子を含み得る。ディスプレイ光学系124は、異なる光学素子の組み合わせ、ならびに組み合わせた光学素子の相対的な間隔および配向を維持するための機械的結合を含み得る。ディスプレイ光学系124内の1つまたは複数の光学素子は、反射防止コーティング、反射コーティング、フィルタリングコーティング、または異なる光学コーティングの組み合わせなど、光学コーティングを有し得る。
In certain embodiments, display optics 124 optically display image content (eg, using optical waveguides and couplers) or magnify image light received from
ディスプレイ光学系124による画像光の拡大は、ディスプレイ電子機器122が、物理的により小さくなること、重さが軽くなること、およびより大きいディスプレイよりも少ない電力を消費することを可能にし得る。加えて、拡大は、表示コンテンツの視野を増大させ得る。ディスプレイ光学系124による画像光の拡大の量は、光学素子を調節すること、追加すること、またはディスプレイ光学系124から除去することによって変更され得る。いくつかの実施形態において、ディスプレイ光学系124は、ニアアイディスプレイ120よりもユーザの目から離れたところにあり得る1つまたは複数の画像平面に表示画像を投射し得る。
Magnification of image light by display optics 124 may allow
ディスプレイ光学系124はまた、二次元光学誤差、三次元光学誤差、またはそれらの任意の組み合わせなど、1つまたは複数のタイプの光学誤差を補正するように設計され得る。二次元誤差は、2つの次元に発生する光学収差を含み得る。二次元誤差の例となるタイプは、たる形ひずみ、糸巻形ひずみ、軸上色収差、および倍率色収差を含み得る。三次元誤差は、3つの次元に発生する光学誤差を含み得る。三次元誤差の例となるタイプは、球面収差、コマ収差、像面湾曲、および非点収差を含み得る。 Display optics 124 may also be designed to correct for one or more types of optical errors, such as two-dimensional optical errors, three-dimensional optical errors, or any combination thereof. Two-dimensional errors can include optical aberrations that occur in two dimensions. Exemplary types of two-dimensional errors may include barrel distortion, pincushion distortion, axial chromatic aberration, and lateral chromatic aberration. Three-dimensional errors may include optical errors that occur in three dimensions. Example types of three-dimensional errors may include spherical aberration, coma, field curvature, and astigmatism.
ロケータ126は、互いに対してニアアイディスプレイ120上の特定の位置に、およびニアアイディスプレイ120上の基準点に対して、位置する物体であり得る。いくつかの実装形態において、コンソール110は、人工現実ヘッドセットの位置、配向、または両方を決定するために、外部撮像デバイス150によって捕捉される画像内でロケータ126を特定し得る。ロケータ126は、LED、コーナーキューブリフレクタ、反射マーカ、ニアアイディスプレイ120が動作する環境と対照をなす光源のタイプ、またはそれらの任意の組み合わせであってもよい。ロケータ126がアクティブ構成要素(例えば、LEDまたは他のタイプの発光デバイス)である実施形態において、ロケータ126は、可視バンド(例えば、約380nm~750nm)、赤外(IR)バンド(例えば、約750nm~1mm)、紫外バンド(例えば、約10nm~約380nm)、電磁スペクトルの別の部分、または電磁スペクトルの部分の任意の組み合わせで光を放出し得る。
外部撮像デバイス150は、1つもしくは複数のカメラ、1つもしくは複数のビデオカメラ、ロケータ126のうちの1つもしくは複数を含む画像を捕捉することができる任意の他のデバイス、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。加えて、外部撮像デバイス150は、1つまたは複数のフィルタを含み得る(例えば、信号対雑音比を増加させるため)。外部撮像デバイス150は、外部撮像デバイス150の視野内のロケータ126から放出または反射される光を検出するように構成され得る。ロケータ126がパッシブ素子(例えば、逆反射体)である実施形態において、外部撮像デバイス150は、ロケータ126のうちのいくつかまたはすべてを照明する光源を含み得、これらのロケータ126は、外部撮像デバイス150内の光源に光を再帰反射し得る。低速較正データが、外部撮像デバイス150からコンソール110へ通信され得、外部撮像デバイス150は、1つまたは複数の撮像パラメータ(例えば、焦点距離、焦点、フレームレート、センサ温度、シャッター速度、アパーチャなど)を調節するために、コンソール110から1つまたは複数の較正パラメータを受信し得る。
位置センサ128は、ニアアイディスプレイ120の動きに応答して1つまたは複数の測定信号を生成し得る。位置センサ128の例は、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計、他の動き検出もしくは誤差補正センサ、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。例えば、いくつかの実施形態において、位置センサ128は、並進運動(例えば、前後、上下、または左右)を測定するための複数の加速度計、および回転運動(例えば、ピッチ、ヨー、またはロール)を測定するための複数のジャイロスコープを含み得る。いくつかの実施形態において、様々な位置センサは、互いに直交して配向され得る。
IMU132は、位置センサ128のうちの1つまたは複数から受信される測定信号に基づいて高速較正データを生成する電子デバイスであってもよい。位置センサ128は、IMU132の外部に、IMU132の内部に、またはそれらの任意の組み合わせで、位置し得る。1つまたは複数の位置センサ128からの1つまたは複数の測定信号に基づいて、IMU132は、ニアアイディスプレイ120の初期位置に対するニアアイディスプレイ120の推定位置を示す高速較正データを生成し得る。例えば、IMU132は、速度ベクトルを推定するために加速度計から経時的に受信される測定信号を統合し、ニアアイディスプレイ120上の基準点の推定位置を決定するために速度ベクトルを経時的に統合し得る。代替的に、IMU132は、高速較正データを決定し得るコンソール110にサンプリングされた測定信号を提供し得る。基準点は、一般的に、空間内の点として規定され得るが、様々な実施形態において、基準点はまた、ニアアイディスプレイ120内の点(例えば、IMU132の中心)として規定され得る。
アイトラッキングユニット130は、1つまたは複数のアイトラッキングシステムを含み得る。アイトラッキングは、ニアアイディスプレイ120に対する、目の配向および場所を含む目の位置を決定することを指し得る。アイトラッキングシステムは、1つまたは複数の目を撮像するために撮像システムを含み得、任意選択的に、目によって反射される光が撮像システムによって捕捉され得るように目に向けられる光を生成し得る発光体を含み得る。例えば、アイトラッキングユニット130は、可視スペクトルまたは赤外スペクトルで光を放出する非コヒーレント光源またはコヒーレント光源(例えば、レーザダイオード)、およびユーザの目によって反射される光を捕捉するカメラを含み得る。別の例として、アイトラッキングユニット130は、小型レーダーユニットによって放出された反射電波を捕捉し得る。アイトラッキングユニット130は、目を傷つけない、または身体的な不快感を引き起こさない周波数および強度で光を放出する低出力発光体を使用し得る。アイトラッキングユニット130は、アイトラッキングユニット130によって消費される電力全体を低減(例えば、アイトラッキングユニット130に含まれる発光体および撮像システムによって消費される電力を低減)しながら、アイトラッキングユニット130によって捕捉された目の画像におけるコントラストを増大させるように配置され得る。例えば、いくつかの実装形態において、アイトラッキングユニット130は、100ミリワット未満の電力を消費し得る。
ニアアイディスプレイ120は、例えば、ユーザの瞳間距離(IPD)を決定するため、視線方向を決定するため、奥行きの手がかりを導入するため(例えば、ユーザの主な視線の外側のぶれ画像)、VRメディア内のユーザインタラクションに関するヒューリスティックスを収集するため(例えば、露光刺激の関数としての任意の特定の対象、物体、またはフレームに費やした時間)、ユーザの目の少なくとも一方の配向に部分的に基づくいくつかの他の機能、またはそれらの任意の組み合わせのために、目の配向を使用し得る。配向がユーザの両目に対して決定され得ることから、アイトラッキングユニット130は、ユーザがどこを見ているのかを決定することが可能であり得る。例えば、ユーザの視線の方向を決定することは、ユーザの左目および右目の決定された配向に基づいて収束点を決定することを含み得る。収束点は、ユーザの目の2つの中心窩軸が交差する点であり得る。ユーザの視線の方向は、収束点およびユーザの目の瞳の間の中点を通過する線の方向であり得る。
The near-
入力/出力インターフェース140は、ユーザがコンソール110にアクション要求を送信することを可能にするデバイスであってもよい。アクション要求は、特定のアクションを実施するための要求であってもよい。例えば、アクション要求は、アプリケーションを開始すること、もしくは終了すること、またはアプリケーション内で特定のアクションを実施することであってもよい。入力/出力インターフェース140は、1つまたは複数の入力デバイスを含み得る。例となる入力デバイスは、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、グローブ、ボタン、タッチスクリーン、または、アクション要求を受信し、受信したアクション要求をコンソール110に通信するための任意の他の好適なデバイスを含み得る。入力/出力インターフェース140によって受信されたアクション要求は、コンソール110に通信され得、このコンソール110が、要求されたアクションに対応するアクションを実施し得る。いくつかの実施形態において、入力/出力インターフェース140は、コンソール110から受信した命令に従ってユーザに触覚フィードバックを提供し得る。例えば、入力/出力インターフェース140は、アクション要求が受信されるとき、またはコンソール110が要求されたアクションをすでに実施しており、命令を入力/出力インターフェース140に通信するとき、触覚フィードバックを提供し得る。いくつかの実施形態において、外部撮像デバイス150は、コントローラ(例えば、IR光源を含み得る)またはユーザの手の場所または位置を追跡してユーザの動きを決定することなど、入力/出力インターフェース140を追跡するために使用され得る。いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ120は、コントローラまたはユーザの手の場所または位置を追跡してユーザの動きを決定することなど、入力/出力インターフェース140を追跡するために1つまたは複数の撮像デバイスを含み得る。
Input/
コンソール110は、外部撮像デバイス150、ニアアイディスプレイ120、および入力/出力インターフェース140のうちの1つまたは複数から受信される情報に従ったユーザに対する提示のため、ニアアイディスプレイ120にコンテンツを提供し得る。図1に示される例において、コンソール110は、アプリケーションストア112、ヘッドセットトラッキングモジュール114、人工現実エンジン116、およびアイトラッキングモジュール118を含み得る。コンソール110のいくつかの実施形態は、図1と併せて説明されるものとは異なるモジュールまたは追加のモジュールを含み得る。以下にさらに説明される機能は、ここに説明されるものとは異なる様式で、コンソール110の構成要素に分散され得る。
いくつかの実施形態において、コンソール110は、プロセッサ、およびプロセッサによって実行可能な命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読記憶媒体を含み得る。プロセッサは、命令を並行して実行する複数の処理ユニットを含み得る。非一時的なコンピュータ可読記憶媒体は、ハードディスクドライブ、リムーバブルメモリ、ソリッドステートドライブ(例えば、フラッシュメモリまたはダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM))など、任意のメモリであってもよい。様々な実施形態において、図1と併せて説明されるコンソール110のモジュールは、プロセッサによって実行されるとき、以下にさらに説明される機能をプロセッサに実施させる非一時的なコンピュータ可読記憶媒体内の命令として符号化され得る。
In some embodiments,
アプリケーションストア112は、コンソール110による実行のための1つまたは複数のアプリケーションを記憶し得る。アプリケーションは、プロセッサによって実行されるとき、ユーザに対する提示のためのコンテンツを生成する命令のグループを含み得る。アプリケーションによって生成されるコンテンツは、ユーザの目の運動を介してユーザから受信される入力、または入力/出力インターフェース140から受信される入力に応答したものであり得る。アプリケーションの例は、ゲーミングアプリケーション、会議アプリケーション、動画再生アプリケーション、または他の好適なアプリケーションを含み得る。
ヘッドセットトラッキングモジュール114は、外部撮像デバイス150からの低速較正情報を使用してニアアイディスプレイ120の運動を追跡し得る。例えば、ヘッドセットトラッキングモジュール114は、低速較正情報からの観察したロケータおよびニアアイディスプレイ120のモデルを使用してニアアイディスプレイ120の基準点の位置を決定し得る。ヘッドセットトラッキングモジュール114はまた、高速較正情報からの位置情報を使用してニアアイディスプレイ120の基準点の位置を決定し得る。加えて、いくつかの実施形態において、ヘッドセットトラッキングモジュール114は、ニアアイディスプレイ120の今後の場所を予測するために、高速較正情報、低速較正情報、またはそれらの任意の組み合わせの部分を使用し得る。ヘッドセットトラッキングモジュール114は、ニアアイディスプレイ120の推定または予測した今後の位置を人工現実エンジン116に提供し得る。
人工現実エンジン116は、人工現実システム環境100内でアプリケーションを実行し、ニアアイディスプレイ120の位置情報、ニアアイディスプレイ120の加速度情報、ニアアイディスプレイ120の速度情報、ニアアイディスプレイ120の予測した今後の位置、またはそれらの任意の組み合わせをヘッドセットトラッキングモジュール114から受信し得る。人工現実エンジン116はまた、推測した目の位置および配向情報をアイトラッキングモジュール118から受信し得る。受信した情報に基づいて、人工現実エンジン116は、ユーザへの提示のためにニアアイディスプレイ120に提供するためのコンテンツを決定し得る。例えば、受信した情報が、ユーザが左を見たことを示す場合、人工現実エンジン116は、仮想環境におけるユーザの目の運動を左右逆にする、ニアアイディスプレイ120のためのコンテンツを生成し得る。加えて、人工現実エンジン116は、入力/出力インターフェース140から受信されるアクション要求に応答してコンソール110に対して実行するアプリケーション内のアクションを実施し、アクションが実施されたことを示すフィードバックをユーザに提供し得る。フィードバックは、ニアアイディスプレイ120を介した視覚もしくは可聴フィードバック、または入力/出力インターフェース140を介した触覚フィードバックであり得る。
The
アイトラッキングモジュール118は、アイトラッキングユニット130からアイトラッキングデータを受信し、アイトラッキングデータに基づいてユーザの目の位置を決定し得る。目の位置は、ニアアイディスプレイ120に対する目の配向、場所、もしくは両方、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。目の回転軸が眼窩内の目の場所の関数として変化することから、眼窩内の目の場所を決定することは、アイトラッキングモジュール118が目の配向をより正確に決定することを可能にし得る。
図2は、本明細書に開示される例のいくつかを実施するための、HMDデバイス200の形態にあるニアアイディスプレイの例の斜視図である。HMDデバイス200は、例えば、VRシステム、ARシステム、MRシステム、またはそれらの任意の組み合わせ、の部分であってもよい。HMDデバイス200は、本体部220およびヘッドストラップ230を含み得る。図2は、本体部220の下側223、前側225、および左側227を斜視図で示す。ヘッドストラップ230は、調節可能または伸長可能な長さを有し得る。ユーザがHMDデバイス200をユーザの頭に装着するのを可能にするため、HMDデバイス200の本体部220とヘッドストラップ230との間には十分な空間が存在し得る。様々な実施形態において、HMDデバイス200は、追加の、より少ない、または異なる構成要素を含み得る。例えば、いくつかの実施形態において、HMDデバイス200は、ヘッドストラップ230ではなく、例えば、下の図3に示されるような、眼鏡テンプルおよびテンプル先端部を含み得る。
FIG. 2 is a perspective view of an example near-eye display in the form of an
HMDデバイス200は、コンピュータ生成要素と共に物理的な現実世界環境の仮想および/または拡張視点を含むメディアをユーザに提示し得る。HMDデバイス200によって提示されるメディアの例は、画像(例えば、二次元(2D)または三次元(3D)画像)、動画(例えば、2Dまたは3D動画)、音声、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。画像および動画は、HMDデバイス200の本体部220に収納された1つまたは複数のディスプレイアセンブリ(図2に示されない)によってユーザの各目に提示され得る。様々な実施形態において、1つまたは複数のディスプレイアセンブリは、単一の電子表示パネルまたは複数の電子表示パネル(例えば、ユーザの各目に1つの表示パネル)を含み得る。電子表示パネルの例は、例えば、LCD、OLEDディスプレイ、ILEDディスプレイ、μLEDディスプレイ、AMOLED、TOLED、何らかの他のディスプレイ、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。HMDデバイス200は、2つのアイボックス領域を含み得る。
いくつかの実装形態において、HMDデバイス200は、奥行きセンサ、動きセンサ、位置センサ、およびアイトラッキングセンサなど、様々なセンサ(示されない)を含み得る。これらのセンサのうちのいくつかは、センシングのために構造化光パターンを使用し得る。いくつかの実装形態において、HMDデバイス200は、コンソールとの通信のために入力/出力インターフェースを含み得る。いくつかの実装形態において、HMDデバイス200は、HMDデバイス200内でアプリケーションを実行し、HMDデバイス200の、奥行き情報、位置情報、加速度情報、速度情報、予測した今後の位置、またはそれらの任意の組み合わせを様々なセンサから受信することができる仮想現実エンジン(示されない)を含み得る。いくつかの実装形態において、仮想現実エンジンによって受信される情報は、1つまたは複数のディスプレイアセンブリへの信号(例えば、表示命令)を生成するために使用され得る。いくつかの実装形態において、HMDデバイス200は、互いに対して、および基準点に対して、本体部220上の固定位置に位置するロケータ(示されない、ロケータ126など)を含み得る。ロケータの各々は、外部撮像デバイスによって検出可能な光を放出し得る。
In some implementations, the
図3は、本明細書に開示される例のいくつかの実施するための眼鏡の形態にあるニアアイディスプレイ300の例の斜視図である。ニアアイディスプレイ300は、図1のニアアイディスプレイ120の特定の実装形態であり得、仮想現実ディスプレイ、拡張現実ディスプレイ、および/または複合現実ディスプレイとして動作するように構成され得る。ニアアイディスプレイ300は、フレーム305およびディスプレイ310を含み得る。ディスプレイ310は、ユーザにコンテンツを提示するように構成され得る。いくつかの実施形態において、ディスプレイ310は、ディスプレイ電子機器および/またはディスプレイ光学系を含み得る。例えば、図1のニアアイディスプレイ120に関して上に説明されるように、ディスプレイ310は、LCD表示パネル、LED表示パネル、または光学表示パネル(例えば、導波路ディスプレイアセンブリ)を含み得る。
FIG. 3 is a perspective view of an example near-
ニアアイディスプレイ300は、フレーム305上、またはフレーム305内に、様々なセンサ350a、350b、350c、350d、および350eをさらに含み得る。いくつかの実施形態において、センサ350a~350eは、1つまたは複数の奥行きセンサ、動きセンサ、位置センサ、慣性センサ、または周囲光センサを含み得る。いくつかの実施形態において、センサ350a~350eは、異なる方向における異なる視野を表す画像データを生成するように構成される1つまたは複数の画像センサを含み得る。いくつかの実施形態において、センサ350a~350eは、ニアアイディスプレイ300の表示コンテンツを制御する、もしくはこれに影響を及ぼすため、および/またはニアアイディスプレイ300のユーザにインタラクティブなVR/AR/MR体験を提供するために、入力デバイスとして使用され得る。いくつかの実施形態において、センサ350a~350eはまた、立体撮像のために使用され得る。
Near-
いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ300は、物理的環境内へ光を投射するために、1つまたは複数の照明器具330をさらに含み得る。投射光は、異なる周波数帯(例えば、可視光、赤外光、紫外光など)と関連付けられ得、様々な目的を果たし得る。例えば、照明器具330は、暗い環境(または低強度の赤外光、紫外光などを伴う環境)において光を投射して、暗い環境内で異なる物体の画像を捕捉することにおいてセンサ350a~350eを支援することができる。いくつかの実施形態において、照明器具330は、環境内の物体上に特定の光パターンを投射するために使用され得る。いくつかの実施形態において、照明器具330は、図1に関して上に説明されるロケータ126など、ロケータとして使用され得る。
In some embodiments, near-
いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ300はまた、高解像度カメラ340を含み得る。カメラ340は、視野内の物理的環境の画像を捕捉し得る。捕捉画像は、捕捉画像に仮想物体を追加する、または捕捉画像内の物理的物体を修正するために、例えば、仮想現実エンジン(例えば、図1の人工現実エンジン116)によって処理され得、処理画像は、ARまたはMRアプリケーションのためのディスプレイ310によってユーザに表示され得る。
In some embodiments, near-
図4は、ニアアイディスプレイシステム400内の光学システムの例を例証する簡略図である。光学システム400は、画像源410およびプロジェクタ光学系420を含み得る。図4に示される例において、画像源410は、プロジェクタ光学系420の前にある。様々な実施形態において、画像源410は、ユーザの目490の視野の外側に位置し得る。例えば、1つまたは複数の反射体または方向性カプラが、ユーザの目490の視野の外側にある画像源からの光を偏向させて、この画像源が図4に示される画像源410の場所にあるように見せるために使用され得る。画像源410上のエリア(例えば、画素または発光デバイス)からの光は、プロジェクタ光学系420によって、コリメートされて射出瞳430へ向けられ得る。故に、画像源410上の異なる空間的位置にある物体は、異なる視野角(FOV)においてユーザの目490から離れた物体であるように見え得る。異なる視野角からのコリメート光は、次いで、ユーザの目490の水晶体によってユーザの目490の網膜492の異なる場所へと集束され得る。例えば、光の少なくともいくつかの部分は、網膜492上で中心窩494に集束され得る。画像源410上のエリアからの、同じ方向からユーザの目490に入射するコリメート光線は、網膜492上の同じ場所へ集束され得る。そのようなものとして、画像源410の単一の画像が、網膜492上に形成され得る。
FIG. 4 is a simplified diagram illustrating an example of an optical system within near-
人工現実システムを使用するというユーザ体験は、視野(FOV)、画像品質(例えば、角度分解能)、アイボックスのサイズ(目および頭の運動に適応するため)、およびアイボックス内の光の明るさ(またはコントラスト)を含む、光学システムのいくつかの特性に依存し得る。視野は、片目(単眼HMDの場合)または両目(双眼または両眼いずれかのHMDの場合)によって観察されるような、通常、度の単位で測定される、ユーザが見る画像の角度範囲を説明する。人間視覚システムは、約200°(水平)×130°(垂直)の合計両眼FOVを有し得る。完全没入型の視覚環境を作り出すには、大きいFOV(例えば、約60°より大きい)は、画像を単に見ているのではなく、画像「の中にいる」という感覚を提供し得ることから、大きいFOVが望ましい。視野が小さくなることも、いくつかの重要な視覚情報を妨げ得る。例えば、小さいFOVを有するHMDシステムは、ジェスチャインターフェースを使用し得るが、ユーザは、自分が正しい動きを使用していることを確信するために小さいFOV内で自分の手を見ることができない。その一方で、より広い視野は、より大きいディスプレイまたは光学システムを必要とし得、これは、HMDのサイズ、重量、費用、および使い心地に影響を及ぼし得る。 The user experience of using an artificial reality system depends on the field of view (FOV), image quality (e.g., angular resolution), eyebox size (to accommodate eye and head movements), and brightness of light within the eyebox. (or contrast) may depend on several properties of the optical system. Field of view describes the angular range of an image viewed by a user, usually measured in degrees, as viewed by one eye (for monocular HMDs) or both eyes (for either binocular or binocular HMDs). do. The human visual system may have a total binocular FOV of approximately 200° (horizontal) by 130° (vertical). To create a fully immersive visual environment, a large FOV (eg, greater than about 60°) can provide the feeling of being “inside” an image rather than just looking at it. A large FOV is desirable. A smaller field of view can also interfere with some important visual information. For example, an HMD system with a small FOV may use a gestural interface, but users cannot see their hands within the small FOV to be sure they are using the correct movements. A wider field of view, on the other hand, may require a larger display or optical system, which can affect the size, weight, cost, and comfort of the HMD.
解像度は、ユーザの前に現れる表示された画素もしくは画像要素の角度サイズ、またはユーザがある画素および/もしくは他の画素によって画像化されるような物体を見て正しく解釈することができる能力を指し得る。HMDの解像度は、所与のFOV値についての画像源上の画素の数として指定され得、そこから角度分解能が、1つの方向におけるFOVを画像源上の同じ方向にある画素の数で割ることによって決定され得る。例えば、40°の水平FOVおよび画像源上の水平方向における1080画素の場合、対応する角度分解能は、Snellen20/20ヒト視力と関連付けられた1分分解能と比較して、約2.2分であり得る。
Resolution refers to the angular size of a displayed pixel or image element appearing in front of a user, or the ability of a user to see and correctly interpret an object as imaged by one pixel and/or another. obtain. HMD resolution can be specified as the number of pixels on the image source for a given FOV value, from which angular resolution is the FOV in one direction divided by the number of pixels in the same direction on the image source. can be determined by For example, with a horizontal FOV of 40° and 1080 pixels in the horizontal direction on the image source, the corresponding angular resolution is approximately 2.2 minutes compared to the 1 minute resolution associated with
場合によっては、アイボックスは、ユーザの目の前にある二次元ボックスであってもよく、この二次元ボックスから、画像源からの表示画像を見ることができる。ユーザの瞳がアイボックスの外側へ動く場合、表示画像は、ユーザによって見られない場合がある。例えば、非瞳成形構成においては、HMD画像源の非ビネット視聴が中に存在することになる視聴アイボックスが存在しており、表示画像は、ビネットであり得るか、またはクリッピングされ得るが、ユーザの目の瞳が視聴アイボックスの外側にあるときに依然として可視であり得る。瞳成形構成において、画像は、射出瞳の外側では可視ではない場合がある。 In some cases, the eyebox may be a two-dimensional box in front of the user's eyes from which the displayed image from the image source can be viewed. If the user's pupil moves outside the eyebox, the displayed image may not be seen by the user. For example, in a non-pupil shaping configuration, there is a viewing eyebox in which the non-vignette viewing of the HMD image source will reside, and the displayed image may be vignetted or clipped, but the user can still be visible when the pupil of the eye is outside the viewing eyebox. In a pupil-shaping configuration, the image may not be visible outside the exit pupil.
最も高い分解能が網膜上で達成され得る人間の目の中心窩は、約2°~約3°のFOVに対応し得る。これは、軸外の物体を最も高い解像度で見るために、目が回転することを必要とし得る。軸外の物体を見るための目の回転は、目が瞳の約10mm後ろにある点の周りを回転することから、瞳の移動をもたらし得る。加えて、ユーザは常に、ユーザの目の瞳(例えば、約2.5mmの半径を有する)をアイボックス内の理想の場所に正確に位置付けることができるわけではない。さらには、HMDが使用される環境は、例えば、HMDが動く車両において使用されるとき、またはユーザが歩いている間に使用されるように設計されるとき、HMDに対するユーザの目および/または頭の運動を可能にするためにアイボックスがより大きいことを必要とし得る。これらの状況における運動の量は、HMDがユーザの頭にどれくらいきちんと結合されるかに依存し得る。 The fovea of the human eye, where the highest resolution can be achieved on the retina, can correspond to a FOV of about 2° to about 3°. This may require the eye to rotate in order to see off-axis objects with the highest resolution. Rotation of the eye to view off-axis objects can result in movement of the pupil as the eye rotates around a point approximately 10 mm behind the pupil. Additionally, the user cannot always accurately position the pupil of the user's eye (eg, having a radius of about 2.5 mm) at the ideal location within the eyebox. Furthermore, the environment in which the HMD is used may also affect the user's eye and/or head relative to the HMD, for example, when the HMD is used in a moving vehicle, or when the user is designed to be used while walking. The eyebox may need to be larger to allow movement of the eye. The amount of motion in these situations can depend on how tightly the HMD is coupled to the user's head.
故に、HMDの光学システムは、HMDに対するユーザの瞳の運動を受け入れるために、十分に大きい射出瞳またはフル解像度で全FOVを見るための視聴アイボックスを提供することを必要とし得る。例えば、瞳成形構成においては、12mm~15mmの最小サイズが射出瞳に所望され得る。アイボックスが小さすぎる場合、目とHMDとの小さなずれが、画像の少なくとも部分的損失を結果としてもたらし得、ユーザ体験は、実質的に損なわれ得る。一般に、アイボックスの横方向の広がりは、アイボックスの垂直の広がりよりも重要である。これは、ユーザ間の目の分離距離における著しい相違、ならびに、アイウェアのずれが横寸法においてより頻繁に発生する傾向があるということ、およびユーザが視線を上下に調節するよりも、自らの視線を左右に、より大きい振幅で、より頻繁に調節する傾向があるということに部分的に起因し得る。故に、アイボックスの横寸法を増加させることができる技法は、HMDを用いたユーザの体験を実質的に向上させ得る。その一方で、アイボックスが大きくなるほど、光学系はより大きくなり、ニアアイディスプレイデバイスはより重く、よりかさばることになり得る。 Therefore, the HMD's optical system may need to provide a large enough exit pupil or viewing eyebox to view the entire FOV at full resolution to accommodate the movement of the user's pupil relative to the HMD. For example, in a pupil shaping configuration, a minimum size of 12mm to 15mm may be desired for the exit pupil. If the eyebox is too small, small misalignments between the eye and the HMD can result in at least partial loss of the image, and the user experience can be substantially compromised. In general, the lateral extent of the eyebox is more important than the vertical extent of the eyebox. This is due to significant differences in eye separation distances between users, as well as the fact that eyewear misalignment tends to occur more frequently in the lateral dimension, and that users adjust their line of sight more up or down than they do. may be due in part to the fact that it tends to adjust side to side, with greater amplitude and more frequently. Therefore, techniques that can increase the lateral dimension of the eyebox can substantially enhance the user's experience with an HMD. On the other hand, the larger the eyebox, the larger the optics and the heavier and more bulky the near-eye display device can be.
明るい背景に対して表示画像を見るためには、AR HMDの画像源は、十分に明るい必要があり得、光学システムは、表示画像が太陽光などの強い周囲光を含む背景において可視であり得るように、ユーザの目に明るい画像を提供するのに効率的である必要があり得る。HMDの光学システムは、アイボックス内に光を集中させるように設計され得る。アイボックスが大きいときは、高出力の画像源が、大きいアイボックス内で可視の明るい画像を提供するために使用され得る。故に、アイボックスのサイズ、費用、明るさ、光学複雑性、画像品質、ならびに光学システムのサイズおよび重量の間にはトレードオフが存在し得る。 In order to view the displayed image against a bright background, the image source of the AR HMD may need to be sufficiently bright, and the optical system may allow the displayed image to be visible in backgrounds containing strong ambient light such as sunlight. As such, it may need to be efficient in providing a bright image to the user's eye. The HMD's optical system can be designed to focus light within the eyebox. When the eyebox is large, a high power image source can be used to provide a bright image visible within the large eyebox. Thus, there can be tradeoffs between eyebox size, cost, brightness, optical complexity, image quality, and the size and weight of the optical system.
図5は、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大のための導波路ディスプレイを含む光学シースルー拡張現実システム500の例を例証する。拡張現実システム500は、プロジェクタ510およびコンバイナ515を含み得る。プロジェクタ510は、光源または画像源512およびプロジェクタ光学系514を含み得る。いくつかの実施形態において、光源または画像源512は、1つまたは複数のマイクロLEDデバイスを含み得る。いくつかの実施形態において、画像源512は、LCD表示パネルまたはLED表示パネルなど、仮想物体を表示する複数の画素を含み得る。いくつかの実施形態において、画像源512は、コヒーレントまたは部分的にコヒーレントな光を生成する光源を含み得る。例えば、光源512は、レーザダイオード、垂直キャビティ面発光レーザ、LED、スーパールミネッセントLED(sLED)、および/または上に説明されるマイクロLEDを含み得る。いくつかの実施形態において、画像源512は、各々が主色(例えば、赤、緑、または青)に対応する単色画像光を放出する複数の光源(例えば、上に説明されるLEDのアレイ)を含み得る。いくつかの実施形態において、画像源512は、マイクロLEDの3つの二次元アレイを含み得、マイクロLEDの各二次元アレイが、主色(例えば、赤、緑、または青)の光を放出するように構成されるマイクロLEDを含み得る。いくつかの実施形態において、画像源512は、空間光変調器などの光学パターン生成器を含み得る。プロジェクタ光学系514は、画像源512からの光を拡大すること、コリメートすること、スキャンすること、またはコンバイナ515に投射することなど、画像源512からの光を調整することができる1つまたは複数の光学構成要素を含み得る。1つまたは複数の光学構成要素は、例えば、1つまたは複数のレンズ、液体レンズ、ミラー、遊離型光学系、アパーチャ、および/または格子を含み得る。例えば、いくつかの実施形態において、画像源512は、マイクロLEDの1つまたは複数の一次元アレイまたは細長の二次元アレイを含み得、プロジェクタ光学系514は、画像フレームを生成するためにマイクロLEDの一次元アレイまたは細長の二次元アレイをスキャンするように構成される1つまたは複数の一次元スキャナ(例えば、マイクロミラーまたはプリズム)を含み得る。いくつかの実施形態において、プロジェクタ光学系514は、画像源512からの光をスキャンするのを可能にする複数の電極を有する液体レンズ(例えば、液晶レンズ)を含み得る。
FIG. 5 illustrates an example optical see-through
コンバイナ515は、プロジェクタ510からの光をコンバイナ515の基板520内にカップリングするための入力カプラ530を含み得る。入力カプラ530は、体積ホログラフィック格子または別の回折光学素子(DOE)(例えば、表面レリーフ格子(SRG))、基板520の傾斜した反射面、または屈折カプラ(例えば、ウェッジまたはプリズム)を含み得る。例えば、入力カプラ530は、反射体積ブラッグ格子または透過体積ブラッグ格子を含み得る。入力カプラ530は、可視光の場合、30%、50%、75%、90%、またはそれ以上のカップリング効率を有し得る。基板520内にカップリングされた光は、例えば、全内部反射(TIR)を通じて、基板520内を伝播し得る。基板520は、眼鏡のレンズの形態にあってもよい。基板520は、平坦または湾曲表面を有し得、ガラス、クォーツ、プラスチック、ポリマー、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、水晶、セラミック、または同様のものなど、1つまたは複数のタイプの誘電材料を含み得る。基板の厚さは、例えば、約1mm未満~約10mm以上の範囲に及び得る。基板520は、可視光を透過させ得る。
基板520は、複数の出力カプラ540を含み得るか、またはこれに結合され得、各々が、基板520によって導かれ、かつ基板520内を伝播する光の少なくとも一部分を基板520から抽出し、抽出した光560を、拡張現実システム500が使用中であるときに拡張現実システム500のユーザの目590が位置し得るアイボックス595に向けるように構成される。複数の出力カプラ540は、表示画像がより大きいエリアにおいて可視であり得るように、アイボックス595のサイズを増大させるために射出瞳を複製し得る。入力カプラ530のように、出力カプラ540は、格子カプラ(例えば、体積ホログラフィック格子または表面レリーフ格子)、他の回折光学素子(DOE)、プリズムなどを含み得る。例えば、出力カプラ540は、反射体積ブラッグ格子または透過体積ブラッグ格子を含み得る。出力カプラ540は、異なる場所では異なるカップリング(例えば、回折)効率を有し得る。基板520はまた、コンバイナ515の前の環境からの光550がほとんど損失なしに通過することを可能にする。出力カプラ540はまた、光550がわずかな損失で通過することを可能にし得る。例えば、いくつかの実装形態において、出力カプラ540は、光550が屈折され得るか、または別途わずかな損失で出力カプラ540を通過し得るように、光550の非常に低い回折効率を有し得、故に、抽出した光560よりも高い強度を有し得る。いくつかの実装形態において、出力カプラ540は、光550の高い回折効率を有し得、光550をわずかな損失で特定の所望の方向(すなわち、回折角度)に回折し得る。その結果として、ユーザは、コンバイナ515の前の環境の画像とプロジェクタ510によって投射された仮想物体の画像とを組み合わせたものを見ることができてもよい。いくつかの実装形態において、出力カプラ540は、光550の高い回折効率を有し得、光550をわずかな損失で特定の所望の方向(例えば、回折角度)に回折し得る。
いくつかの実施形態において、プロジェクタ510、入力カプラ530、および出力カプラ540は、基板520の任意の側面にあってもよい。入力カプラ530および出力カプラ540は、表示光を基板520内にカップリングする、または基板520からカップリングアウトするために、反射性格子(反射格子とも称される)または透過性格子(透過格子とも称される)であってもよい。
In some embodiments,
図6は、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大のための導波路ディスプレイを含む光学シースルー拡張現実システム600の例を例証する。拡張現実システム600は、拡張現実システム500と同様であってもよく、導波路ディスプレイ、ならびに光源または画像源612およびプロジェクタ光学系614を含み得るプロジェクタを含み得る。導波路ディスプレイは、拡張現実システム500に関して上に説明されるように、基板630、入力カプラ640、および複数の出力カプラ650を含み得る。図5は、単一の視野からの光の伝播のみを示すが、図6は、複数の視野からの光の伝播を示す。
FIG. 6 illustrates an example optical see-through
図6は、射出瞳が出力カプラ650によって複製されて、集合した射出瞳またはアイボックスを形成することを示し、異なる視野(例えば、画像源612上の異なる画素)は、アイボックスへ向かう異なるそれぞれの伝播方向と関連付けられ得、同じ視野(例えば、画像源612上の同じ画素)からの光は、異なる個々の射出瞳について同じ伝播方向を有し得る。故に、画像源612の単一の画像は、アイボックス内のどこにでも位置するユーザの目によって形成され得、異なる個々の射出瞳からの、同じ方向に伝播する光は、画像源612上の同じ画素からのものであり得、ユーザの目の網膜上の同じ場所へ集束され得る。図6は、ユーザの目がアイボックス内の異なる場所へ動くとしても、画像源の画像がユーザの目によって見ることができることを示す。
FIG. 6 shows that the exit pupil is replicated by
多くの導波路ベースのニアアイディスプレイシステムにおいて、導波路ベースのニアアイディスプレイのアイボックスを2つの次元において拡大するため、2つ以上の出力格子が、表示光を2つの次元において、または2つの軸に沿って拡大する(二軸瞳拡大と称され得る)ために使用され得る。2つの格子は、一方の格子が1つの方向において射出瞳を複製するために使用され得、他方の格子が別の方向において射出瞳を複製するために使用され得るように、異なる格子パラメータを有し得る。 In many waveguide-based near-eye display systems, two or more output gratings direct the display light in two dimensions, or two It can be used for axial expansion (which may be referred to as biaxial pupil expansion). The two gratings have different grating parameters such that one grating can be used to replicate the exit pupil in one direction and the other grating can be used to replicate the exit pupil in another direction. can.
上に説明されるように、上に説明される入力および出力格子カプラは、非常に異なるKlein-CookパラメータQ:
を有し得る体積ホログラフィック格子または表面レリーフ格子であってもよく、式中、dは、格子の厚さであり、λは、自由空間内の入射光の波長であり、Λは、格子周期であり、nは、記録媒体の屈折率である。Klein-CookパラメータQは、格子による光回折を3つのレジームに分割し得る。格子がQ<<1によって特徴付けられるとき、格子による光回折は、Raman-Nath回折と称され得、複数の回折次数が、垂直および/または斜入射光の場合に発生し得る。格子がQ>>1(例えば、Q≧10)によって特徴付けられるとき、格子による光回折は、ブラッグ回折と称され得、一般的にはゼロ次および±1回折次数が、ブラッグ条件を満足する角度で格子に入射する光の場合に発生し得る。格子がQ≒1によって特徴付けられるとき、格子による回折は、Raman-Nath回折とブラッグ回折との間であり得る。ブラッグ条件を満たすため、格子の厚さdは、媒体の体積を占有するために(表面においてではなく)特定の値よりも高くてもよく、故に、体積ブラッグ格子と称され得る。VBGは、一般的に、比較的小さい屈折率変調(例えば、Δn≦0.05)ならびに高いスペクトルおよび角度選択性を有し得る一方、表面レリーフ格子は、一般的に、大きい屈折率変調(例えば、Δn≧0.5)ならびに幅広のスペクトルおよび角度バンド幅を有し得る。
As explained above, the input and output grating couplers described above have very different Klein-Cook parameters Q:
where d is the thickness of the grating, λ is the wavelength of the incident light in free space, and Λ is the grating period and n is the refractive index of the recording medium. The Klein-Cook parameter Q can divide optical diffraction by a grating into three regimes. Optical diffraction by a grating can be referred to as Raman-Nath diffraction when the grating is characterized by Q<<1, and multiple diffraction orders can occur for normal and/or grazing incidence light. Optical diffraction by a grating can be referred to as Bragg diffraction when the grating is characterized by Q>>1 (eg, Q≧10), and generally the zero and ±1 diffraction orders satisfy the Bragg condition. It can occur for light incident on the grating at an angle. When the grating is characterized by Q≈1, the diffraction by the grating can be between Raman-Nath diffraction and Bragg diffraction. To satisfy the Bragg condition, the thickness d of the grating may be higher than a certain value (not at the surface) to occupy the volume of the medium, hence it may be called a volume Bragg grating. VBGs can typically have relatively small refractive index modulations (e.g., Δn≤0.05) and high spectral and angular selectivities, while surface relief gratings typically have large refractive index modulations (e.g., , Δn≧0.5) and broad spectral and angular bandwidths.
図7Aは、体積ブラッグ格子(例えば、反射VBG)の例のスペクトルバンド幅、および表面レリーフ格子(例えば、透過性SRG)の例のスペクトルバンド幅を例証する。水平軸は、入射可視光の波長を表し、垂直軸は、回折効率に対応する。曲線710によって示されるように、反射VBGの回折効率は、緑色光などの狭い波長範囲において高い。対照的に、透過性SRGの回折効率は、曲線720によって示されるように、青色~赤色光などの非常に幅広の波長範囲において高くなり得る。
FIG. 7A illustrates the spectral bandwidth of an example volume Bragg grating (eg, reflective VBG) and the spectral bandwidth of an example surface relief grating (eg, transmissive SRG). The horizontal axis represents the wavelength of incident visible light and the vertical axis corresponds to diffraction efficiency. As shown by
図7Bは、体積ブラッグ格子(例えば、反射VBG)の例の角度バンド幅、および表面レリーフ格子(例えば、透過性SRG)の例の角度バンド幅を例証する。水平軸は、格子に入射する可視光の入射角を表し、垂直軸は、回折効率に対応する。曲線715によって示されるように、反射VBGの回折効率は、完璧なブラッグ条件から約±2.5°など、狭い角度範囲から格子に入射する光では高い。対照的に、透過性SRGの回折効率は、曲線725によって示されるように、約±10°超またはそれより幅広いなど、非常に幅広い角度範囲において高い。
FIG. 7B illustrates the angular bandwidth of an example volume Bragg grating (eg, reflective VBG) and the angular bandwidth of an example surface relief grating (eg, transmissive SRG). The horizontal axis represents the angle of incidence of visible light incident on the grating and the vertical axis corresponds to diffraction efficiency. As shown by
ブラッグ条件における高いスペクトル選択性に起因して、反射VBGなどのVBGは、主色間のクロストークなしの単一導波路設計を可能にし得、また優れたシースルー品質を呈し得る。しかしながら、スペクトルおよび角度選択性は、全FOV内の表示光の一部分のみが回折されてユーザの目に到達し得ることから、より低い効率をもたらし得る。 Due to the high spectral selectivity in the Bragg condition, VBGs such as reflective VBGs can enable single waveguide designs without crosstalk between primary colors and can exhibit excellent see-through quality. However, spectral and angular selectivity may result in lower efficiency since only a portion of the display light within the entire FOV may be diffracted and reach the user's eye.
図8Aは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大のための導波路ディスプレイ800および表面レリーフ格子を含む光学シースルー拡張現実システムの例を例証する。導波路ディスプレイ800は、基板520と同様であり得る基板810(例えば、導波路)を含み得る。基板810は、可視光を透過させ得、例えば、ガラス、クォーツ、プラスチック、ポリマー、PMMA、セラミック、水晶基板を含み得る。基板810は、平坦な基板または湾曲した基板であってもよい。基板810は、第1の表面812および第2の表面814を含み得る。表示光は、入力カプラ820によって基板810内にカップリングされ得、また表示光が基板810内で伝播し得るように、全内部反射を通じて第1の表面812および第2の表面814によって反射され得る。上に説明されるように、入力カプラ820は、格子、屈折カプラ(例えば、ウェッジまたはプリズム)、または反射カプラ(例えば、基板810に対して傾斜角を有する反射面)を含み得る。例えば、1つの実施形態において、入力カプラ820は、異なる色の表示光を同じ屈折角で基板810内にカップリングし得るプリズムを含み得る。別の例において、入力カプラ820は、異なる色の光を異なる方向で基板810内へ回折し得る格子カプラを含み得る。入力カプラ820は、可視光の場合、10%、20%、30%、50%、75%、90%、またはそれ以上のカップリング効率を有し得る。
FIG. 8A illustrates an example optical see-through augmented reality system including a
導波路ディスプレイ800は、アイボックス(または出力もしくは射出瞳)を表示光で満たすために、入射表示光ビームを2つの次元において拡大するための、基板810の1つまたは2つの表面(例えば、第1の表面812および第2の表面814)に位置付けられた第1の格子830および第2の格子840を含み得る。第1の格子830は、およそx方向など、1つの方向に沿って、表示光ビームの少なくとも一部分を拡大するように構成され得る。基板810内にカップリングされた表示光は、線832によって示される方向に伝播し得る。表示光は、線832によって示される方向に沿って基板810内を伝播するが、表示光の一部分は、基板810内を伝播する表示光が第1の格子830に到達する度に、線834によって示されるように、第1の格子830の一部分によって第2の格子840の方へ回折され得る。第2の格子840は、次いで、基板810内を伝播する表示光が第2の格子840に到達する度に表示光の一部分をアイボックスへ回折することによって、第1の格子830からの表示光を異なる方向に(例えば、およそy方向に)拡大し得る。第2の格子840において、出口領域850は、アイボックス内の1つの瞳の場所(例えば、アイボックスの中心)における全FOVのための表示光が導波路ディスプレイ800からカップリングアウトされ得る領域を表す。
図8Bは、二次元複製された射出瞳を含むアイボックスの例を例証する。図8Bは、単一の入力瞳805が、個々の射出瞳852の二次元アレイを含む集合射出瞳860を形成するために、第1の格子830および第2の格子840によって複製され得ることを示す。例えば、射出瞳は、第1の格子830によっておよそx方向に、第2の格子840によっておよそy方向に複製され得る。上に説明されるように、個々の射出瞳852からの、同じ方向に伝播する出力光は、ユーザの目の網膜内の同じ場所へ集束され得る。故に、単一の画像が、個々の射出瞳852の二次元アレイ内の出力光から、ユーザの目によって形成され得る。
FIG. 8B illustrates an example of an eyebox containing a two-dimensional replicated exit pupil. FIG. 8B shows that a
図9Aは、導波路ディスプレイにおける射出瞳拡大のための表面レリーフ格子の例によって回折された光の波動ベクトル、および複数の色のための射出瞳を例証する。円910は、導波路によって導かれ得る光の波動ベクトルを表し得る。円910の外側の波動ベクトルを有する光の場合、光は、エバネッセントになり得る。円920は、全内部反射条件が満たされないために導波路から漏れ出し得る光の波動ベクトルを表し得る。故に、円910と円920との間の輪は、導波路によって導かれ得、TIRを通じて導波路内を伝播することができる光の波動ベクトルを表し得る。波動ベクトル932は、入力格子によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる波動ベクトルおよび異なる回折角度を有し得る。波動ベクトル942は、前方格子(例えば、第1の格子830)によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる回折角度を有し得る。波動ベクトル952は、後方格子(例えば、第2の格子840)によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる回折角度を有し得る。各色の波動ベクトルは、それぞれの閉じた三角形を形成し得、異なる色の三角形は、共通の原頂点922を共有し得る。故に、3つの格子による分散全体は、ゼロに近くなり得る。
FIG. 9A illustrates the wavevectors of diffracted light and the exit pupil for multiple colors by an example surface relief grating for exit pupil expansion in a waveguide display. A
3つの格子による全体的な分散がゼロになり得るとしても、各格子による分散は、光が円910と円920との間の輪によって示されるような導波路によって導かれ得る条件に起因して、導波路ディスプレイの視野の低減またはクリッピングを引き起こし得る。例えば、FOV924では、入力格子による回折の後のFOVのフットプリントは、入力格子による分散に起因して、異なる色では異なり得る。図9Aに示される例において、第1の色の光のためのFOVのフットプリント936は、輪内に位置し得るが、第2の色の光のためのFOVのフットプリント934の一部分および第3の色の光のためのFOVのフットプリント938の一部分は、輪の外側に入り得、故に、導波路によって導かれない場合がある。加えて、前方格子による回折の後のFOVのフットプリントは、さらにクリッピングまたは低減され得る。図9Aに示される例において、第1の色の光のためのFOVのフットプリント946のわずかな部分、第2の色の光のためのFOVのフットプリント944の大部分、および第3の色の光のためのFOVのフットプリント948の大部分は、輪の外側に入り得、故に、射出瞳に到達するために、導波路によって導かれず後方格子によって回折されない場合がある。
Even though the overall dispersion due to the three gratings can be zero, the dispersion due to each grating is , can cause a reduction or clipping of the waveguide display's field of view. For example, in
図9Bは、導波路ディスプレイにおける射出瞳拡大のための表面レリーフ格子の例による視野クリッピングを例証する。例えば、後方格子による回折の後の第1の色の光のためのFOVは、フットプリント956によって示され得、これは、全FOVに近くてもよい。第2の色の光の場合、FOVの上部分は、第1の格子による回折の後にクリッピングされ得、FOVの右部分は、前方格子による回折の後にクリッピングされ得る。故に、後方格子による回折の後の第2の色の光のためのFOVは、フットプリント954によって示され得、これは、全FOVよりもはるかに小さくてもよい。同様に、第3の色の光の場合、FOVの下部分は、第1の格子による回折の後にクリッピングされ得、FOVの左部分は、前方格子による回折の後にクリッピングされ得る。故に、後方格子による回折の後の第3の色の光のためのFOVは、フットプリント958によって示され得、これは、全FOVよりもはるかに小さくてもよい。故に、画像の特定の色成分は、特定の視野では欠けている場合がある。そのようなものとして、異なる色のための全FOVを達成するために、2つ以上の導波路および対応する格子が使用され得る。加えて、上に説明されるように、SRGの幅広い帯域幅が、異なる主色の光間の、および/または異なるFOVからのクロストークを引き起こし得、故に、複数の導波路もまた、クロストークを回避するために使用され得る。
FIG. 9B illustrates field clipping with an example surface relief grating for exit pupil expansion in a waveguide display. For example, the FOV for the first color of light after diffraction by the back grating may be indicated by
ブラッグ条件における高いスペクトル選択性に起因して、反射VBGなどのVBGは、体積ブラッグ格子における主色間のクロストークなしの単一導波路設計を可能にし得、また優れたシースルー品質を達成し得る。故に、入力カプラ530または640および出力カプラ540または650は、体積ブラッグ格子を含み得、この体積ブラッグ格子は、2つ以上のコヒーレント光ビーム間の干渉によって生成される光パターンにホログラフィック記録材料を露光することによってホログラフィック記録材料に記録される体積ホログラムであってもよい。体積ブラッグ格子において、入射光の入射角および波長は、入射光がブラッグ格子によって回折されるように、ブラッグ位相整合条件を満足する必要があり得る。単一のブラッグ格子が導波路ベースのニアアイディスプレイにおいて使用されるとき、体積ブラッグ格子のスペクトルおよび角度選択性は、表示光の一部分のみが回折されて、ユーザの目に到達し得ることから、より低い効率をもたらし得、導波路ベースのニアアイディスプレイの視野および作動波長範囲は限られ得る。いくつかの実施形態において、多重化VBGが、効率を向上し、FOVを増大させるために使用され得る。
Due to the high spectral selectivity in the Bragg condition, VBGs such as reflective VBGs can enable single waveguide designs without crosstalk between primary colors in volume Bragg gratings and can achieve excellent see-through quality. . Thus,
図10Aは、特定の実施形態に従う、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1000の例の前面図である。導波路ディスプレイ1000は、基板520と同様であり得る基板1010を含み得る。基板1010は、可視光を透過させ得、例えば、ガラス、クォーツ、プラスチック、ポリマー、PMMA、セラミック、水晶基板を含み得る。基板1010は、平坦な基板または湾曲した基板であり得る。基板1010は、第1の表面1012および第2の表面1014を含み得る。表示光は、入力カプラ1020によって基板1010内にカップリングされ得、また表示光が基板1010内で伝播し得るように、全内部反射を通じて第1の表面1012および第2の表面1014によって反射され得る。上に説明されるように、入力カプラ1020は、回折カプラ(例えば、体積ホログラフィック格子または表面レリーフ格子)、屈折カプラ(例えば、ウェッジまたはプリズム)、または反射カプラ(例えば、基板1010に対して傾斜角を有する反射面)を含み得る。例えば、1つの実施形態において、入力カプラ1020は、異なる色の表示光を同じ屈折角で基板1010内にカップリングし得るプリズムを含み得る。別の例において、入力カプラは、異なる色の光を異なる方向で基板1010内に回折し得る格子カプラを含み得る。
FIG. 10A is a front view of an example volume Bragg grating-based
導波路ディスプレイ1000は、アイボックスを表示光で満たすために、入射表示光ビームを2つの次元において拡大するための、基板1010の1つまたは2つの表面(例えば、第1の表面1012および第2の表面1014)に位置付けられた第1の格子1030および第2の格子1040を含み得る。第1の格子1030は、各々が表示光ビーム(例えば、特定の視野および/または波長範囲に対応する光)の少なくとも一部分を、線1032、1034、および1036によって示されるように、1つの方向に沿って、拡大するように構成される1つまたは複数の多重化体積ブラッグ格子を含み得る。例えば、表示光は、線1032、1034、または1036によって示される方向に沿って基板1010内を伝播するが、表示光の一部分は、基板1010内を伝播する表示光が第1の格子1030に到達する度に、第1の格子1030によって第2の格子1040へ回折され得る。第2の格子1040は、次いで、基板1010内を伝播する表示光が第2の格子1040に到達する度に表示光の一部分をアイボックスへ回折することによって、第1の格子1030からの表示光を異なる方向に拡大し得る。第2の格子1040において、出口領域1050は、アイボックス内の1つの瞳の場所(例えば、アイボックスの中心)における全FOVのための表示光が導波路ディスプレイ1000からカップリングアウトされ得る領域を表す。
上に説明されるように、第1の格子1030および第2の格子1040は各々、各々が特定のFOV範囲および/または波長範囲のために設計される複数のVBGを含む多重化VBGを含み得る。例えば、第1の格子1030は、数百以上の露光によって記録される数百以上のVBG(例えば、約300~約1000のVBG)を含み得、各VBGは異なる条件下で記録され得る。第2の格子1040もまた、数十または数百の露光によって記録される数十または数百のVBG(例えば、50以上のVBG)を含み得る。第1の格子1030および第2の格子1040は各々、透過格子または反射格子であり得る。
As explained above, the
図10Bおよび図10Cは、それぞれ、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1000の上面図および側面図を例証する。入力カプラ1020は、プロジェクタ光学系(示されない、例えば、レンズ)およびプリズムを含み得る。表示光は、プロジェクタ光学系によって、コリメートされてプリズム上に投射され得、プリズムによって基板1010内にカップリングされ得る。プリズムは、基板1010の屈折率に一致する屈折率を有し得、基板1010内にカップリングされる光が基板1010の臨界角よりも大きい入射角で基板1010の表面1012または1014に入射し得るように特定の角度を有するウェッジを含み得る。そのようなものとして、基板1010内にカップリングされる表示光は、全内部反射を通じて基板1010によって導かれ得、上に説明されるように、第1の格子1030の複数の領域によって第2の格子1040の方へ回折され得る。第2の格子1040は、次いで、表示光を複数の領域で基板1010の外へ回折して、射出瞳を複製し得る。
10B and 10C illustrate top and side views, respectively, of a volume Bragg grating-based
図11は、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイ1000などの体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例における光分散を例証する。例に示されるように、球1110は、導波路によって導かれ得る光の波動ベクトルを表し得る。球1110の外側の波動ベクトルを有する光の場合、光は、エバネッセントになり得る。錐体1120は、全内部反射条件が満たされないために導波路から漏れ出し得る光の波動ベクトルを表し得る。故に、錐体1120の外側の球1110の領域は、導波路によって導かれ得、TIRを通じて導波路内を伝播することができる光の波動ベクトルを表し得る。点1130は、例えば、プリズムによって、導波路内にカップリングされる表示光の波動ベクトルを表し得る。波動ベクトル1140は、第1の格子1030によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる回折角度を有し得る。波動ベクトル1150は、第2の格子1040によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる回折角度を有し得る。故に、基板からカップリングアウトされる光は、異なる色の画像が互いと完璧に重複せずに1つの画像を形成し得るように、いくらかの分散を有し得る。したがって、表示画像は、ぼやけている場合があり、表示画像の解像度は低減され得る。
FIG. 11 illustrates light dispersion in an example volume Bragg grating-based waveguide display, such as
図12Aは、体積ブラッグ格子1200の例を例証する。図12Aに示される体積ブラッグ格子1200は、厚さDを有する透過ホログラフィック格子を含み得る。体積ブラッグ格子1200の屈折率nは、振幅Δnで変調され得、体積ブラッグ格子1200の格子周期は、Λであり得る。波長λを有する入射光1210は、入射角θで体積ブラッグ格子1200に入射し得、体積ブラッグ格子1200内を角度θnで伝播する入射光1220として体積ブラッグ格子1200内へ屈折され得る。入射光1220は、体積ブラッグ格子1200によって回折光1230へと回折され得、この回折光1230は、体積ブラッグ格子1200内を回折角度θdで伝播し得、回折光1240として体積ブラッグ格子1200の外へ屈折され得る。
FIG. 12A illustrates an example volume Bragg grating 1200 . The volume Bragg grating 1200 shown in FIG. 12A can include a transmission holographic grating having a thickness D. FIG. The refractive index n of volume Bragg grating 1200 may be modulated with an amplitude Δn, and the grating period of volume Bragg grating 1200 may be Λ.
図12Bは、図12Aに示される体積ブラッグ格子1200のためのブラッグ条件を例証する。体積ブラッグ格子1200は、透過格子であってもよい。ベクトル1205は、
を表し得、ここで、
である。ベクトル1225は、
を表し得、ベクトル1235は、
を表し得、ここで、
である。ブラッグ位相整合条件下では、
である。故に、所与の波長λの場合、ブラッグ条件を完璧に満たす、入射角θ(またはθn)および回折角度θdの1つのペアのみが存在し得る。同様に、所与の入射角θの場合、ブラッグ条件を完璧に満たす1つの波長λが存在し得る。そのようなものとして、回折は、小さい波長範囲について、および完璧なブラッグ条件周辺の小さい入射角範囲において発生し得る。体積ブラッグ格子1200の回折効率、波長選択性、および角度選択性は、体積ブラッグ格子1200の厚さDの関数であり得る。例えば、ブラッグ条件周辺の体積ブラッグ格子1200の半値全幅(FWHM)波長範囲およびFWHM角度範囲は、体積ブラッグ格子1200の厚さDに反比例し得るが、ブラッグ条件での最大回折効率は、sin2(a×Δn×D)の関数であり得、式中、aは、係数である。反射体積ブラッグ格子では、ブラッグ条件での最大回折効率は、tanh2(a×Δn×D)の関数であり得る。
FIG. 12B illustrates the Bragg conditions for the volume Bragg grating 1200 shown in FIG. 12A. Volume Bragg grating 1200 may be a transmission grating.
, where
is.
and the
, where
is. Under the Bragg phase matching condition,
is. Therefore, for a given wavelength λ, there can only be one pair of incident angle θ (or θ n ) and diffraction angle θ d that perfectly satisfies the Bragg condition. Similarly, for a given angle of incidence θ, there may be one wavelength λ that perfectly satisfies the Bragg condition. As such, diffraction can occur for a small range of wavelengths and for a small range of incident angles around the perfect Bragg condition. The diffraction efficiency, wavelength selectivity, and angular selectivity of volume Bragg grating 1200 can be a function of the thickness D of volume Bragg grating 1200 . For example, the full width half maximum (FWHM) wavelength range and FWHM angular range of the volume Bragg grating 1200 around the Bragg condition can be inversely proportional to the thickness D of the volume Bragg grating 1200, whereas the maximum diffraction efficiency at the Bragg condition is sin 2 ( a×Δn×D), where a is a coefficient. For a reflective volume Bragg grating, the maximum diffraction efficiency under the Bragg condition can be a function of tanh 2 (a×Δn×D).
上に説明されるように、いくつかの設計において、大きいFOV(例えば、±30°よりも大きい)および異なる色の回折光を達成するために、各々が異なる色(例えば、R、G、またはB)および/または異なるFOVのためにブラッグ格子を含む複数のポリマー層が、ユーザの目に表示光をカップリングするためにスタックで配置され得る。いくつかの設計において、多重化ブラッグ格子が使用され得、この場合、多重化ブラッグ格子の各部分は、異なるFOV範囲および/または異なる波長範囲内の光を回折するために使用され得る。故に、いくつかの設計において、全可視スペクトル(例えば、約400nm~約700nm、または約450nm~約650nm)について所望の回折効率および大きいFOVを達成するために、各々が、数百または1000超など、大量の露光によって記録される(例えば、ホログラフィック記録)大量の格子(またはホログラム)を含む1つまたは複数の厚い体積ブラッグ格子が使用され得る。 As explained above, in some designs each a different color (e.g., R, G, or B) and/or multiple polymer layers containing Bragg gratings for different FOVs can be arranged in a stack to couple display light to the user's eye. In some designs, multiplexed Bragg gratings may be used, where each portion of the multiplexed Bragg grating may be used to diffract light within different FOV ranges and/or different wavelength ranges. Thus, in some designs, several hundred or more than a thousand, etc., each to achieve the desired diffraction efficiency and large FOV for the entire visible spectrum (eg, from about 400 nm to about 700 nm, or from about 450 nm to about 650 nm). , one or more thick volume Bragg gratings may be used, including mass gratings (or holograms) recorded by mass exposure (eg, holographic recording).
上に説明されるVBGまたは他のホログラフィック光学素子は、ホログラフィ材料(例えば、フォトポリマー)層に記録され得る。いくつかの実施形態において、VBGは、まず記録され、次いでニアアイディスプレイシステム内の基板にラミネートされ得る。いくつかの実施形態において、ホログラフィ材料層が、基板にコーティングまたはラミネートされ得、次いでVBGが、ホログラフィ材料層に記録され得る。 A VBG or other holographic optical element as described above may be recorded in a layer of holographic material (eg, photopolymer). In some embodiments, the VBG can be recorded first and then laminated to the substrate in the near-eye display system. In some embodiments, a holographic material layer can be coated or laminated to a substrate and then a VBG can be recorded in the holographic material layer.
一般に、感光材料層にホログラフィック光学素子を記録するためには、2つのコヒーレントビームは、特定の角度で互いと干渉して、感光材料層内に特有の干渉パターンを生成し得、今度はこれが、感光材料層内に特有の屈折率変調パターンを生成し得、この屈折率変調パターンは、干渉パターンの光強度パターンに対応し得る。感光材料層は、例えば、ハロゲン化銀乳剤、重クロム酸化ゼラチン、ポリマーマトリックス中に浮遊した光重合性モノマーを含むフォトポリマー、光屈折結晶、および同様のものを含み得る。ホログラフィック記録のための感光材料層の一例は、ホログラフィック記録をし、ホログラフィック記録のためのモノマーを書き込む前に、高分子バインダを形成するために予備硬化され得るマトリックス前駆体を含み得る二段フォトポリマーである。 In general, to record a holographic optical element in a photosensitive material layer, two coherent beams can interfere with each other at specific angles to produce a unique interference pattern within the photosensitive material layer, which in turn , may produce a unique refractive index modulation pattern in the photosensitive material layer, which refractive index modulation pattern may correspond to the light intensity pattern of the interference pattern. Photosensitive material layers can include, for example, silver halide emulsions, dichromated gelatin, photopolymers containing photopolymerizable monomers suspended in a polymer matrix, photorefractive crystals, and the like. An example of a photosensitive material layer for holographic recording can include a matrix precursor that can be precured to form a polymeric binder prior to holographic recording and writing monomers for holographic recording. It is a stepped photopolymer.
1つの例において、感光材料層は、高分子バインダ、モノマー(例えば、アクリルモノマー)、および開始剤、連鎖移動剤、または感光色素などの、起爆剤を含み得る。高分子バインダは、支持マトリックスとして作用し得る。モノマーは、支持マトリックス内に分散され得、屈折率変調器としての役割を果たし得る。感光色素は、光を吸収し、開始剤と相互作用してモノマーを重合し得る。故に、各露光(記録)において、干渉パターンは、明るいフリンジに対してモノマーの重合および拡散を引き起こし得、屈折率変調を結果としてもたらし得る濃度および密度勾配を生成する。例えば、より高い濃度のモノマーおよび重合を伴うエリアは、より高い屈折率を有し得る。露光および重合が進むにつれて、重合に利用可能なモノマーは少なくなり得、拡散は抑えられ得る。すべてまたは実質的にすべてのモノマーが重合された後は、感光材料層に記録される新たな格子はなくなり得る。大量の露光において記録される大量の格子を含む厚いVBGにおいては、表示ヘイズが著しい場合がある。 In one example, the photosensitive material layer can include a polymeric binder, a monomer (eg, an acrylic monomer), and an initiator such as an initiator, chain transfer agent, or photosensitive dye. A polymeric binder can act as a support matrix. Monomers may be dispersed within the support matrix and may serve as refractive index modulators. Photosensitive dyes can absorb light and interact with initiators to polymerize the monomers. Thus, at each exposure (recording), the interference pattern creates concentration and density gradients that can cause polymerization and diffusion of monomers to bright fringes, resulting in refractive index modulation. For example, areas with higher concentrations of monomer and polymerization may have a higher refractive index. As exposure and polymerization progress, less monomer may be available for polymerization and diffusion may be suppressed. After all or substantially all of the monomer has been polymerized, there may be no new gratings recorded in the photosensitive material layer. Display haze can be significant in thick VBGs containing large gratings recorded in large exposures.
上に説明されるように、いくつかの導波路ベースのニアアイディスプレイシステムにおいて、導波路ベースのニアアイディスプレイのアイボックスを拡大するため、2つの出力格子(または、2つの格子層もしくは多重化格子の2つの部分)が、一般的に、表示光を2つの次元において、または二軸瞳拡大のための2つの軸に沿って拡大するために使用され得る。2つの出力格子を空間的に分離し、各出力格子のための合計露光数を低減することは、導波路ベースのニアアイディスプレイのシースルー領域(例えば、中央)が1つの出力格子のみを含み得ることから、表示ヘイズを低減するのを助け得る。例えば、いくつかの実施形態において、第1の出力格子は、より多くの露光(例えば、>500または>1000回)により記録され得、導波路ベースのニアアイディスプレイのシースルー領域の外側に位置付けられ得る。第2の出力格子は、より少ない露光(例えば、<100または<50回)により記録され得、導波路ベースのニアアイディスプレイのシースルー領域に位置付けられ得る。故に、シースルー領域内の表示ヘイズは、著しく低減され得る。しかしながら、2つの出力格子の空間分離が理由で、導波路ベースのニアアイディスプレイの全体的なサイズは非常に大きくなり得る。 As explained above, in some waveguide-based near-eye display systems, two output gratings (or two grating layers or multiplexing) are used to enlarge the eyebox of the waveguide-based near-eye display. Two portions of the grating) can generally be used to expand display light in two dimensions or along two axes for biaxial pupil expansion. Spatially separating the two output gratings and reducing the total number of exposures for each output grating allows the see-through region (e.g., the center) of a waveguide-based near-eye display to contain only one output grating. As such, it can help reduce display haze. For example, in some embodiments, the first output grating can be recorded with more exposures (eg, >500 or >1000 times) and positioned outside the see-through area of the waveguide-based near-eye display. obtain. A second output grating can be recorded with fewer exposures (eg, <100 or <50 times) and can be positioned in the see-through region of a waveguide-based near-eye display. Therefore, display haze in the see-through area can be significantly reduced. However, due to the spatial separation of the two output gratings, the overall size of waveguide-based near-eye displays can be very large.
上に説明される格子カプラは、いくつかの同様の特徴およびいくつかの異なる特徴を有し得る透過VBGまたは反射VBGを含み得る。例えば、上に説明されるように、ブラッグ条件近くの透過または反射体積ブラッグ格子のFWHM波長範囲およびFWHM角度範囲は、透過または反射体積ブラッグ格子の厚さDに反比例し得る。透過VBGのためのブラッグ条件での最大回折効率は、sin2(a×Δn×D)の関数であり得、式中、aは、係数であり、Δnは、屈折率変調であるが、反射VBGのためのブラッグ条件での最大回折効率は、tanh2(a×Δn×D)の関数であり得る。加えて、透過および反射体積ブラッグ格子のパラメータ(例えば、格子傾斜角)は、カップリングされた表示光がTIRを通じて導波路によって導かれ得るように特定の角度で表示光を導波路内にカップリングするために異なり得る。異なる格子パラメータが理由で、透過格子および反射格子の分散特徴は異なり得る。 The grating couplers described above can include transmissive or reflective VBGs that can have some similar features and some different features. For example, as explained above, the FWHM wavelength range and FWHM angular range of a transmissive or reflective volume Bragg grating near the Bragg condition can be inversely proportional to the thickness D of the transmissive or reflective volume Bragg grating. The maximum diffraction efficiency in the Bragg condition for transmissive VBG can be a function of sin 2 (a×Δn×D), where a is the coefficient and Δn is the refractive index modulation, but the reflective The maximum diffraction efficiency under the Bragg condition for VBG can be a function of tanh 2 (a×Δn×D). In addition, the parameters of the transmission and reflection volume Bragg gratings (e.g., grating tilt angle) can be used to couple display light into the waveguide at a particular angle such that the coupled display light can be guided by the waveguide through TIR. can vary to Due to the different grating parameters, the dispersion characteristics of transmission and reflection gratings can be different.
図13Aは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1300の例の前面図を例証する。図13Bは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1300の例の側面図を例証する。導波路ディスプレイ1300は、導波路ディスプレイ1000と同様であり得、入力カプラ1020と比較して異なる場所に入力カプラ1320を含み得る。導波路ディスプレイ1300は、基板1310、ならびに基板1310上または基板1310内に形成される第1の格子1330および第2の格子1340を含み得る。入力カプラ1020のように、入力カプラ1320は、プロジェクタ光学系1322(例えば、レンズ)およびプリズム1324を含み得る。表示光は、入力カプラ1320によって基板1310内にカップリングされ得、基板1310によって導かれ得る。表示光は、第1の格子1330の第1の部分1332に到達し得、第1の格子1330の第1の部分1332によって回折されて伝播方向を変え、第1の格子1330の他の部分に到達し得、この他の部分が各々、表示光を第2の格子1340の方へ回折し得る。第2の格子1340は、上に説明されるように表示光を異なる場所で基板1310の外へ回折して、複数の射出瞳を形成し得る。
FIG. 13A illustrates a front view of an example volume Bragg grating-based
第1の格子1330の第1の部分1332および他の部分の各々は、一致する格子ベクトル(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトルを有し、ならびにz方向において同じ格子ベクトル、反対の格子ベクトル、または同じ格子ベクトルおよび反対の格子ベクトルの両方を有するが、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間で記録される)を有し得る。したがって、それらは、第1の格子1330の第1の部分1332および他の部分の各々における回折の反対のブラッグ条件(例えば、+1次および-1次回折)に起因して、互いによって表示光の分散を補償して、全体的な分散を低減し得る。したがって、導波路ディスプレイ1300による表示光の全体的な分散は、少なくとも1つの方向において低減され得る。
Each of the
図14Aは、特定の実施形態に従う、反射体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1400における異なる視野からの光の伝播を例証する。導波路ディスプレイ1400は、反射VBG1410を含み得る。反射VBG1410の格子傾斜角および故に格子ベクトルに起因して、正の視野からの光(線1422によって示される)は、反射VBG1410のフリンジに対するより小さい入射角、およびまた導波路ディスプレイ1400の上面1402に対するより小さい入射角を有し得る。その一方で、負の視野からの光(線1424によって示される)は、反射VBG1410のフリンジに対するより大きい入射角、およびまた導波路ディスプレイ1400の上面1402に対するより大きい入射角を有し得る。
FIG. 14A illustrates the propagation of light from different fields of view in a reflective volume Bragg grating-based
図14Bは、特定の実施形態に従う、透過体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1450における異なる視野からの光の伝播を例証する。導波路ディスプレイ1450は、透過VBG1460を含み得る。格子傾斜角差に起因して、透過VBG1460は、反射VBG1410と比較して異なる様式で異なる視野からの光を回折し得る。例えば、例証されるように、正の視野からの光(線1472によって示される)は、透過VBG1460のフリンジに対してより小さい入射角を有し得るが、導波路ディスプレイ1450の下面1452に対してより大きい入射角を有し得る。その一方で、負の視野からの光(線1474によって示される)は、透過VBG1460のフリンジに対するより大きい入射角を有し得るが、導波路ディスプレイ1450の下面1452に対するより小さい入射角を有し得る。反射または透過格子による異なる視野からの光の回折の様式は、導波路ディスプレイの因子および性能に影響を及ぼし得る。
FIG. 14B illustrates the propagation of light from different fields of view in a transmissive volume Bragg grating-based
図15は、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う反射体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1500の例を例証する。導波路ディスプレイ1500は、上部格子1505および下部格子1515を含み得る。例証された例において、上部格子1505は、反射VBGであってもよく、下部格子1515もまた、反射格子であってもよい。下部格子1515において、出口領域1550は、アイボックス内の1つの瞳の場所(例えば、アイボックスの中心)における全FOVのための表示光が下部格子からカップリングアウトされ得る領域を表す。図15に示されるように、右上角1522と左上角1524との間の線によって表される出口領域1550における上部FOVは、上部格子1505上の曲線1530にマッピングし得、出口領域1550の右上角1522および左上角1524が、それぞれ上部格子1505上の場所1532および場所1534にマッピングし得る。右下角1542と左下角1544との間の線によって表される出口領域1550における下部FOVは、下部格子1505上の曲線1510にマッピングし得、出口領域1550の右下角1542および左下角1544が、それぞれ下部格子1505上の場所1512および場所1514にマッピングし得る。故に、曲線1530が、出口領域1550の右上角1522と左上角1524との間の線より下にある場合、何らかのFOVクリッピングが存在し得る。そのようなものとして、全FOVを保護するため、曲線1530は、出口領域1550の右上角1522と左上角1524との間の線より上にあり得る。したがって、導波路ディスプレイ1500のサイズは、大きくなり得る。
FIG. 15 illustrates an example of a reflective volume Bragg grating-based
図16は、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および形状因子低減を伴う透過体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1600の例を例証する。導波路ディスプレイ1600は、上部格子1605および下部格子1615を含み得る。例証された例において、上部格子1605は、反射VBGであってもよく、下部格子1615は、透過VBGであってもよい。下部格子1615において、出口領域1650は、アイボックス内の1つの瞳の場所(例えば、アイボックスの中心)における全FOVのための表示光が下部格子からカップリングアウトされ得る領域を表す。図16に示されるように、右上角1622と左上角1624との間の線によって表される出口領域1650における上部FOVは、上部格子1605上の曲線1610にマッピングし得、出口領域1650の右上角1622および左上角1624が、それぞれ上部格子1605上の場所1612および場所1614にマッピングし得る。右下角1642と左下角1644との間の線によって表される出口領域1650における下部FOVは、下部格子1605上の曲線1630にマッピングし得、出口領域1650の右下角1642および左下角1644が、それぞれ下部格子1605上の場所1632および場所1634にマッピングし得る。故に、導波路ディスプレイ1600の全体的なサイズを低減するために上部格子1605と下部格子1615との間にはいくらかの重複が存在し得る。例えば、場所1632は、右上角1622よりも低くてもよく、依然として右下角1642にマッピングされ得る。
FIG. 16 illustrates an example transmissive volume Bragg grating-based
図17Aは、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける透過体積ブラッグ格子1700の例を例証する。透過VBG1700の格子傾斜角αは、表示光を透過的に回折するために特定の範囲内にある必要があり得る。例えば、透過VBG1700の格子傾斜角αが特定の値よりも小さい場合、透過VBG1700は、反射VBGになり得、表示光が格子に到達し得る2つの連続した場所の間の距離は、大きすぎる場合がある(および故に、射出瞳がアイボックス内で疎に複製され得る)か、または表示光は、エバネッセントになり得る。故に、透過VBG1700の格子傾斜角αは、表示光を透過的に回折するために特定の値よりも大きい必要がある。
FIG. 17A illustrates an example transmissive volume Bragg grating 1700 in a waveguide display, according to certain embodiments. The grating tilt angle α of the
図17Bは、導波路ディスプレイにおける透過VBG1710の例を例証し、透過VBGによって回折された光は、完全には反射されず導波路内で導かれない場合がある。透過VBG1710の格子傾斜角αは、約60°より大きいなど、特定の値よりも大きくてもよい。そのようなものとして、導波路内にカップリングされた光は、臨界角よりも小さい入射角で導波路の表面に入射し得、故に、完全には反射されず導波路内で導かれない場合がある。故に、透過VBGの格子傾斜角αはまた、回折光が全内部反射を通じて導波路によって導かれ得るように表示光を導波路内に透過的に回折するために特定の値(例えば、約60°)よりも小さい必要があり得る。そのようなものとして、透過VBGの格子傾斜角αは、特定の範囲内にある必要があり得る。
FIG. 17B illustrates an example of a
図17Cは、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける反射体積ブラッグ格子1750の例を例証する。反射VBG1750の格子傾斜角αもまた、表示光を反射的に回折するために特定の範囲内にある必要があり得る。反射VBG1750の格子傾斜角αが特定の値よりも大きい場合、反射VBG1750は、透過VBGになり得、表示光が格子に到達し得る2つの連続した場所の間の距離は、大きすぎる場合がある(および故に、射出瞳がアイボックス内で疎に複製され得る)か、または表示光は、エバネッセントになり得る。故に、反射VBGの格子傾斜角αもまた、表示光を反射的に回折するために特定の値よりも小さい必要がある。1つの例において、反射VBG1750の格子傾斜角αは、約30°であってもよい。
FIG. 17C illustrates an example reflective volume Bragg grating 1750 in a waveguide display, according to certain embodiments. The grating tilt angle α of the
図17Dは、導波路ディスプレイにおける反射VBG1760の例を例証する図であり、反射VBGによって回折された光は、完全には反射されず導波路内で導かれない。図17Dに示される反射VBG1760の格子傾斜角αは、特定の値よりも小さくてもよい。そのようなものとして、導波路内にカップリングされた光は、臨界角よりも小さい入射角で導波路の表面に入射し得、故に、完全には反射されず導波路内で導かれない場合がある。反射VBG1760の格子傾斜角αは、約30°よりも小さくてもよい。故に、反射VBGの格子傾斜角αはまた、特定の値よりも大きい必要があり得る。そのようなものとして、反射VBGの格子傾斜角αはまた、回折光が全内部反射を通じて導波路によって導かれ得るように表示光を導波路内に反射的に回折するために特定の範囲内にある必要があり得る。図17A~図17Dは、格子傾斜角αが反射格子の場合は透過格子の場合よりも小さくなり得ることを示す。
FIG. 17D is a diagram illustrating an example of a
図18Aは、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける反射体積ブラッグ格子1800の例による光分散を例証する。反射VBG1800は、格子ベクトルkg、厚さd、および平均屈折率nによって特徴付けられ得る。反射VBG1800の面法線方向は、Nである。反射VBG1800による光分散の量は、
によって決定され得、式中、λ0は、ブラッグ条件を完璧に満たす光の波長であり、koutは、反射VBG1800によって回折される光の波動ベクトルである。反射VBG1800の格子傾斜角αが約30°であるとき、反射VBG1800による光分散の量は、およそ、
であり得る。故に、角度分解能約2分を達成するために、反射VBG1800の厚さdは、少なくとも約0.5mmであり得る。
FIG. 18A illustrates light dispersion by an example reflective volume Bragg grating 1800 in a waveguide display, according to certain embodiments.
where λ 0 is the wavelength of light that perfectly satisfies the Bragg condition and k out is the wave vector of the light diffracted by the reflected
can be Therefore, to achieve an angular resolution of about 2 minutes, the thickness d of the
図18Bは、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける透過体積ブラッグ格子1850の例による光分散を例証する。透過VBG1850は、同様に、格子ベクトルkg、厚さd、および平均屈折率nによって特徴付けられ得る。透過VBG1850の面法線方向は、Nである。透過VBG1850による光分散の量は、
によって決定され得、式中、λ0は、ブラッグ条件を完璧に満たす光の波長であり、koutは、透過VBG1850によって回折される光の波動ベクトルである。透過VBG1850の格子傾斜角αが約60°であるとき、透過VBG1850による光分散の量は、およそ、
であり得る。故に、角度分解能約2分を達成するために、透過VBG1850の厚さdは、少なくとも約1.5mmであり得、これは、同じ角度分解能を有する反射VBGの厚さの約3倍であり、達成が困難であり得るか、または著しい表示ヘイズを引き起こし得る。
FIG. 18B illustrates optical dispersion by an example transmissive volume Bragg grating 1850 in a waveguide display, according to certain embodiments. The
where λ 0 is the wavelength of light that perfectly satisfies the Bragg condition and k out is the wave vector of the light diffracted by the transmitted
can be Thus, to achieve an angular resolution of about 2 minutes, the thickness d of the transmitted
VBGベースの導波路ディスプレイの物理的サイズを低減し、VBGの厚さおよび表示ヘイズを低減し、所望の解像度を達成するため、分散補償が、VBGベースの導波路ディスプレイにおいて所望され得る。特定の実施形態によると、一致する格子ベクトルを有し、反対の回折条件(例えば、+1次回折対-1次回折)で動作する1つまたは複数の格子対(例えば、透過格子)は、互いによって引き起こされる分散を補償するために使用され得る。 Dispersion compensation may be desired in VBG-based waveguide displays to reduce their physical size, reduce VBG thickness and display haze, and achieve desired resolution. According to certain embodiments, one or more grating pairs (eg, transmission gratings) having matching grating vectors and operating in opposite diffraction conditions (eg, +1st order vs. −1st order diffraction) are can be used to compensate for the dispersion caused by
図19Aは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1900の例の前面図である。図19Bは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ1900の例の側面図である。導波路ディスプレイ1900は、導波路ディスプレイ1300と同様であり得るが、入力カプラ1320とは異なる入力カプラを含み得る。導波路ディスプレイ1900は、基板1910、ならびに基板1910上または基板1910内に形成される第1の格子1930および第2の格子1940を含み得る。入力カプラは、プロジェクタ光学系1920(例えば、レンズ)、および、プリズムではなく入力格子1922を含み得る。表示光は、プロジェクタ光学系1920によってコリメートされ、入力格子1922上に投射され得、この入力格子1922が、例えば、図5および図6に関して上に説明されるように回折によって表示光を基板1910内にカップリングし得る。表示光は、第1の格子1930の第1の部分1932に到達し得、第1の格子1930の第1の部分1932によって回折されて伝播方向を変え、第1の格子1930の他の部分に到達し得、この他の部分が各々、表示光を第2の格子1940の方へ回折し得る。第2の格子1940は、上に説明されるように表示光を異なる場所で基板1910の外へ回折して、複数の射出瞳を形成し得る。
FIG. 19A is a front view of an example volume Bragg grating-based
第1の格子1930の第1の部分1932および他の部分の各々は、一致する格子ベクトル(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトルを有し、ならびにz方向において同じ格子ベクトルおよび/または反対の格子ベクトルを有するが、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間で記録される)を有し得る。したがって、それらは、第1の格子1930の第1の部分1932および他の部分の各々における回折の反対のブラッグ条件(例えば、+1次および-1次回折)に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、1つの方向において全体的な分散を低減し得る。加えて、入力格子1922および第2の格子1940は、一致する格子ベクトル(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトルを有し、ならびにz方向において同じおよび/または反対の格子ベクトルを有するが、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間で記録される)を有し得、入力格子1922は、表示光を基板1910内にカップリングし得るが、第2の格子1940は、表示光を導波路からカップリングアウトし得る。したがって、入力格子1922および第2の格子1940は、入力格子1922および第2の格子1940における回折の反対の回折方向および反対のブラッグ条件(例えば、+1次および-1次回折)に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、少なくとも1つの方向において全体的な分散を低減し得る。このやり方では、第1の格子1930の第1の部分1932および他の部分の各々による全体的な分散は、低減または相殺され得、入力格子1922および第2の格子1940による全体的な分散もまた、低減または相殺され得る。したがって、導波路ディスプレイ1900による表示光の全体的な分散は、任意の方向において最小化され得る。そのようなものとして、表示画像のより高い解像度が達成され得る。故に、薄い反射または透過VBGは、入力および出力カプラとして使用され得、依然として所望の解像度を達成し得る。透過VBGはまた、上に説明されるように導波路ディスプレイの物理的寸法を低減するために第1および第2の格子が少なくとも部分的に重複されることを可能にし得る。
Each of the
導波路ディスプレイ1900は、1つまたは複数の導波路プレート上に複数のポリマー層を含み得、入力格子1922、第1の格子1930、および第2の格子1940は各々、複数のポリマー層に記録される複数の格子へと分かれ得る。各ポリマー層上の格子は、異なるそれぞれのFOVおよび光スペクトルをカバーし得、複数のポリマー層の組み合わせが、全FOVおよびスペクトルカバレッジを提供し得る。このやり方では、各ポリマー層は、薄くてもよく(例えば、約20μm~約100μm)、より少ない格子を記録するためにより少ない回数(例えば、約100未満)露光されて、曇りを低減し得、複数のポリマー層の全体的な効率は、全FOVおよびスペクトルについては依然として高くなり得る。図19Aおよび図19Bに示される例において、導波路ディスプレイ1900は、1つまたは複数のプレートまたは基板上に第1のポリマー層1912および第2のポリマー層1914を含み得る。各ポリマー層1912または1914は、入力格子1922、第1の格子1930、および/または第2の格子1940の部分を含み得る。
図20Aは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大、分散低減、形状因子低減、および効率向上を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ2000の別の例を例証する。導波路ディスプレイ2000のように、導波路ディスプレイ2000は、基板1910と同様であり得る基板2010を含み得る。基板2010は、第1の表面2012および第2の表面2014を含み得る。光源(例えば、LED)からの表示光は、入力カプラ2020によって基板2010内にカップリングされ得、また表示光が基板2010内を(例えば、-y方向に)伝播し得るように、全内部反射を通じて第1の表面2012および第2の表面2014によって反射され得る。上に説明されるように、入力カプラ2020は、異なる回折角度で異なる色の表示光を基板2010内へカップリングし得る、多重化VBGなどの回折カプラを含み得る。
FIG. 20A illustrates another example volume Bragg grating-based
導波路ディスプレイ2000は、第1の表面2012および/または第2の表面2014に形成される第1の格子2030および第2の格子2040を含み得る。導波路ディスプレイ2000はまた、第1の表面2012および/または第2の表面2014に形成される第3の格子2060および第4の格子2070を含み得る。第3の格子2060および第4の格子2070は各々、複数のVBGを含む多重化VBGであってもよい。いくつかの実施形態において、第3の格子2060、第4の格子2070、および第1の格子2030は、基板2010の同じ表面または異なる表面にあってもよい。いくつかの実施形態において、第3の格子2060、第4の格子2070、および第1の格子2030は、同じ格子または同じ格子材料層の異なる領域にあってもよい。
いくつかの実施形態において、第1の格子2030、第3の格子2060、および第4の格子2070は各々、複数のVBGを含み得る。第3の格子2060および第1の格子2030は、第3の格子2060内の各VBGが第1の格子2030内のそれぞれのVBGに一致し得る(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトルを有し、z方向において同じおよび/または反対の格子ベクトルを有する)ように、複数の露光において、および同様の記録条件下で、記録され得る(しかしながら、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間にわたって記録され得る)。例えば、いくつかの実施形態において、第3の格子2060内のVBGおよび第1の格子2030内の対応するVBGは、同じ格子周期および同じ格子傾斜角(および故に同じ格子ベクトル)、ならびに同じ厚さを有し得る。第4の格子2070および第1の格子2030は、第4の格子2070内の各VBGが第1の格子2030内のそれぞれのVBGに一致し得る(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトルを有し、z方向において同じおよび/または反対の格子ベクトルを有する)ように、複数の露光において、および同様の記録条件下で、記録され得る(しかしながら、異なる露光持続時間にわたって)。いくつかの実施形態において、第3の格子2060を記録するための記録条件は、第3の格子2060および第4の格子2070が異なるブラッグ条件(および異なる格子ベクトル)を有し得、故に、異なるFOV範囲および/または波長範囲からの光を回折して、大きいFOV範囲内の可視光の全体的な回折効率を向上させるように、第4の格子2070を記録するための記録条件とは異なり得る。いくつかの実施形態において、第3の格子2060および第4の格子2070は、同様の格子ベクトルを有し得、故に、同じFOV範囲および/または波長範囲からの光を、同様または異なる回折効率で回折して、特定のFOV範囲および/または波長範囲内の光の全体的な回折効率を向上させ得る。
In some embodiments,
いくつかの実施形態において、第3の格子2060内のVBGに一致する第1の格子2030内のVBGは、第1の格子2030の1つのエリア(例えば、上方領域)に記録され得るが、第4の格子2070内のVBGに一致する第1の格子2030内の他のVBGは、第1の格子2030の異なるエリア(例えば、下方領域)に記録され得る。1つの例において、第3の格子2060および第4の格子2070は各々、厚さ約20μmを有し得、各々、約20回の露光を通じて記録される約20個のVBGを含み得る。例において、第1の格子2030は、厚さ約20μm以上を有し得、約40回の露光を通じて異なる領域に記録される約40個のVBGを含み得る。第2の格子2040は、厚さ約20μm以上を有し得、約50回の露光を通じて記録される約50個のVBGを含み得る。
In some embodiments, VBGs in the
入力カプラ2020は、光源からの表示光を基板2010内へカップリングし得る。表示光は、第3の格子2060に直接到達し得るか、または第1の表面2012および/もしくは第2の表面2014によって第3の格子2060へ反射され得、表示光ビームのサイズは、入力カプラ2020におけるサイズよりもわずかに大きくなり得る。第3の格子2060内の各VBGは、VBGのブラッグ条件をほぼ満足するFOV範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第1の格子2030の上方領域へ回折し得る。上に説明されるように、第1の格子2030の上方領域は、第3の格子2060内のVBGに一致するVBGを含み得る。したがって、第3の格子2060内のVBGによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板2010内を(例えば、線2032によって示される方向に沿って)伝播するが、表示光の一部分は、基板2010内を伝播する表示光が第1の格子2030に到達する度に、第1の格子2030内の対応するVBGによって第2の格子2040へ回折され得る。
第3の格子2060によって回折されない表示光(例えば、100%未満の回折効率に起因して、またはブラッグ条件近くの小さいFOV範囲および/または波長範囲に起因して)は、基板2010内を伝播し続け得、第4の格子2070に到達し得る。第4の格子2070内の各VBGは、VBGのブラッグ条件をほぼ満足するFOV範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第1の格子2030の下方領域へ回折し得る。上に説明されるように、第1の格子2030の下方領域は、第4の格子2070内のVBGに一致するVBGを含み得る。したがって、第4の格子2070内のVBGによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板2010内を(例えば、線2034によって示される方向に沿って)伝播するが、表示光の一部分は、基板2010内を伝播する表示光が第1の格子2030に到達する度に、第1の格子2030内の対応するVBGによって第2の格子2040へ回折され得る。第2の格子2040は、基板2010内を伝播する表示光が第2の格子2040に到達する度に、表示光の一部分をアイボックス2050(例えば、+zまたは-z方向において第2の格子2040から約18mmの距離にある)へ回折することによって、第1の格子2030からの表示光を異なる方向に(例えば、およそy方向に)拡大し得る。このやり方では、表示光は、アイボックス2050を満たすために2つの次元において拡大され得る。
Display light that is not diffracted by the third grating 2060 (eg, due to diffraction efficiency less than 100%, or due to the small FOV range and/or wavelength range near the Bragg condition) propagates within the
図20Bは、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ2000のアイボックス2080(例えば、アイボックス2050)における複製された射出瞳を例証する。射出瞳は、格子2060、2030、および2040によって複製される射出瞳2082の第1のセット、ならびに格子2070、2030、および2040によって複製される射出瞳2084の第2のセットを含み得る。格子2060および2070が異なる格子ベクトルを有する実施形態において、射出瞳2082の第1のセットおよび射出瞳2084の第2のセットは、異なるFOV範囲および/または異なる波長範囲に対応し得る。格子2060および2070が同様の格子ベクトルを有する実施形態において、射出瞳2082の第1のセットおよび射出瞳2084の第2のセットは、同じFOV範囲および/または波長範囲に対応し得る。射出瞳2082の第1のセットおよび射出瞳2084の第2のセットは、重複、または部分的に重複し得る。故に、瞳複製密度は、増大され得、光は、2つの空間的に多重化したVBGのセットによる表示光の回折に起因して、アイボックス内でより均一であり得る。
FIG. 20B illustrates a replicated exit pupil in an eyebox 2080 (eg, eyebox 2050) of a volume Bragg grating-based
加えて、分散は、上に説明されるように反対のブラッグ条件下で動作する一対の一致する格子による各次元における二重回折に起因して、2つの次元において低減され得る。さらには、より幅広いバンド幅にある表示光は、より少ない数の露光(および故に、各VBGのより高い屈折率変調Δn)が理由で、格子によってより高い回折効率でアイボックスへ回折され得る。故に、導波路ディスプレイの電力効率は向上され得る。いくつかの実施形態において、第1の格子2030および第2の格子2040は、上に説明されるように導波路ディスプレイ2000の形状因子を低減するために少なくとも部分的に重複し得る。
Additionally, dispersion can be reduced in two dimensions due to double diffraction in each dimension by a pair of matched gratings operating under opposite Bragg conditions as described above. Furthermore, display light in a wider bandwidth can be diffracted with higher diffraction efficiency by the grating into the eyebox because of the lower number of exposures (and thus the higher refractive index modulation Δn of each VBG). Hence, the power efficiency of waveguide displays can be improved. In some embodiments,
図21Aは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大、分散低減、および形状因子低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ2100の別の例を例証する。導波路ディスプレイ2100のように、導波路ディスプレイ2100は、基板2110と同様であり得る基板2110を含み得る。基板2110は、第1の表面2112および第2の表面2114を含み得る。光源(例えば、LED)からの表示光は、入力カプラ2120によって基板2110内にカップリングされ得、また表示光が基板2110内を伝播し得るように、全内部反射を通じて第1の表面2112および第2の表面2114によって反射され得る。上に説明されるように、入力カプラ2120は、VBGなどの回折カプラを含み得る。導波路ディスプレイ2100はまた、第1の表面2112および/または第2の表面2114に形成される第1の格子2130および第2の格子2140を含み得る。図21Aに示される例において、第1の格子2130および第2の格子2140は、x方向において異なる場所にあってもよく、導波路ディスプレイ2100のシースルー領域の少なくとも一部分において重複し得る。第1の格子2130および第2の格子2140は、アイボックス2150(例えば、+zまたは-z方向において第2の格子2140から約18mmの距離にある)を表示光で満たすために、入射表示光ビームを2つの次元において拡大するための二軸瞳拡大のために使用され得る。例えば、第1の格子2130は、表示光ビームをおよそy方向に拡大し得るが、第2の格子2140は、表示光ビームをおよそx方向に拡大し得る。
FIG. 21A illustrates another example volume Bragg grating-based
加えて、導波路ディスプレイ2100は、第1の表面2112および/または第2の表面2114に形成される第3の格子2160を含み得る。いくつかの実施形態において、第3の格子2160および第1の格子2130は、基板2110の同じ表面上に、y方向において異なる場所に配置され得る。いくつかの実施形態において、第3の格子2160および第1の格子2130は、同じ格子または同じ格子材料層の異なる領域にあってもよい。いくつかの実施形態において、第3の格子2160は、第1の格子2130から空間的に離れていてもよい。いくつかの実施形態において、第3の格子2160および第1の格子2130は、第3の格子2160内の各VBGが第1の格子2130内のそれぞれのVBGに一致し得る(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトルを有し、z方向において同じおよび/または反対の格子ベクトルを有する)ように、同じ数の露光において、および同様の記録条件下で、記録され得る(しかしながら、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間にわたって記録され得る)。
Additionally,
入力カプラ2120は、光源からの表示光を基板2110内にカップリングし得る。表示光は、基板2110内をおよそx方向に沿って伝播し得、第3の格子2160に直接到達し得るか、または第1の表面2112および/または第2の表面2114によって第3の格子2160へ反射され得る。第3の格子2160内の各VBGは、VBGのブラッグ条件をほぼ満足するFOV範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第1の格子2130へと下方へ回折し得る。第3の格子2160内のVBGによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板2110内をある方向に沿って(例えば、およそ、線2132によって示されるy方向に)伝播するが、表示光の一部分は、基板2110内を伝播する表示光が第1の格子2130に到達する度に、第1の格子2130内の対応するVBGによって第2の格子2140へ回折され得る。第2の格子2140は、次いで、基板2110内を伝播する表示光が第2の格子2140に到達する度に表示光の一部分をアイボックス2150へ回折することによって、第1の格子2130からの表示光を異なる方向に(例えば、およそx方向に)拡大し得る。入力カプラ2120および第2の格子2140は、入力カプラ2120および第2の格子2140によって引き起こされる全体的な分散を低減するために、一致するVBG(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトル、z方向において同じまたは反対の格子ベクトルを有するVBG)を含み得る。同様に、格子2130および2160は、格子2130および2160によって引き起こされる全体的な分散を低減するために、一致するVBG(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトルを有し、z方向において同じおよび/または反対の格子ベクトルを有するVBG)を含み得る。故に、導波路ディスプレイ2100内の格子による全体的な分散は、低減されるか、最小限にされ得る。
第1の格子2130および第2の格子2140の各々は、例えば、100μm(例えば、20μm)未満の厚さを有し得、例えば、50個未満のVBGを含み得る。故に、導波路ディスプレイ2100の光学シースルー領域内の任意のエリアは、100個未満のVBGを含み得る。したがって、表示ヘイズは、大きくならない場合がある。加えて、第1の格子2130および第2の格子2140は、導波路ディスプレイ2100の形状因子を低減するために少なくとも部分的に重複し得、故に導波路ディスプレイ2100の物理的寸法は、通常の眼鏡のレンズの物理的寸法と同様であり得る。
Each of the
図21Bは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大、分散低減、形状因子低減、および効率向上を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ2105の例を例証する。導波路ディスプレイ2100のように、導波路ディスプレイ2105は、基板2115の第1の表面2116および/または第2の表面2118に形成される第1の格子2135、第2の格子2145、第3の格子2165、および第4の格子2175を含み得る。第1の格子2135、第2の格子2145、第3の格子2165、および第4の格子2175は各々、複数のVBGを含む多重化VBGを含み得る。いくつかの実施形態において、第3の格子2165、第4の格子2175、および第1の格子2135は、基板2115の同じ表面にあってもよい。いくつかの実施形態において、第3の格子2165、第4の格子2175、および第1の格子2135は、同じ格子または同じ格子材料層の異なる領域にあってもよい。
FIG. 21B illustrates an example volume Bragg grating-based
第3の格子2165内の各VBGは、第1の格子2135内のそれぞれのVBGの格子ベクトルに一致する格子ベクトル(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトルを有し、z方向において同じおよび/または反対の格子ベクトルを有する)を有し得る。第4の格子2175内の各VBGは、第1の格子2135内のそれぞれのVBGの格子ベクトルに一致する格子ベクトル(例えば、x-y平面において同じ格子ベクトルを有し、z方向において同じおよび/または反対の格子ベクトルを有する)を有し得る。いくつかの実施形態において、第3の格子2165および第4の格子2175は、異なる格子ベクトルを有し得、故に、異なるFOV範囲および/または波長範囲からの光を回折して、大きいFOV範囲内の可視光の全体的な回折効率を向上させ得る。いくつかの実施形態において、第3の格子2165および第4の格子2175は、同様の格子ベクトルを有し得、故に、同じFOV範囲および/または波長範囲からの光を、同様または異なる回折効率で回折して、特定のFOV範囲および/または波長範囲内の光の全体的な回折効率を向上させ得る。
Each VBG in the third grating 2165 has a grating vector that matches the grating vector of the respective VBG in the first grating 2135 (eg, has the same grating vector in the xy plane and the same and/or or with opposite lattice vectors). Each VBG in the
入力カプラ2125は、光源からの表示光を基板2115内にカップリングし得る。表示光は、第3の格子2165に直接到達し得るか、または第1の表面2116および/または第2の表面2118によって第3の格子2165へ反射され得る。第3の格子2165内の各VBGは、VBGのブラッグ条件をほぼ満足するFOV範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第1の格子2135の左領域へ回折し得る。第3の格子2165内のVBGによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板2115内を(例えば、線2136によって示される方向に沿って)伝播するが、表示光の一部分は、基板2115内を伝播する表示光が第1の格子2135に到達する度に、第1の格子2135内の対応するVBGによって第2の格子2145へ回折され得る。
Input coupler 2125 may couple display light from the light source into
第3の格子2165によって回折されない表示光(例えば、100%未満の回折効率に起因して、またはブラッグ条件近くの小さいFOV範囲および/または波長範囲に起因して)は、基板2115内を伝播し続け得、第4の格子2175に到達し得る。第4の格子2175内の各VBGは、VBGのブラッグ条件をほぼ満足するFOV範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第1の格子2135の右領域へ回折し得る。第4の格子2175内のVBGによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板2115内を(例えば、線2138によって示される方向に沿って)伝播するが、表示光の一部分は、基板2115内を伝播する表示光が第1の格子2135に到達する度に、第1の格子2135内の対応するVBGによって第2の格子2145へ回折され得る。
Display light not diffracted by third grating 2165 (eg, due to diffraction efficiency less than 100%, or due to small FOV range and/or wavelength range near Bragg condition) propagates within
第2の格子2145は、基板2115内を伝播する表示光が第2の格子2145に到達する度に表示光の一部分をアイボックス2155(例えば、+zまたは-z方向において第2の格子2145から約18mmの距離にある)へ回折することによって、第1の格子2135からの表示光を異なる方向に(例えば、およそx方向に)拡大し得る。このやり方では、表示光は、アイボックス2155を満たすために2つの次元において拡大され得る。結果として生じる射出瞳は、格子2165、2135、および2145によって複製される射出瞳の第1のセット、ならびに格子2175、2135、および2145によって複製される射出瞳の第2のセットを含み得る。格子2165および2175が異なる格子ベクトルを有する実施形態において、射出瞳の第1のセットおよび射出瞳の第2のセットは、異なるFOV範囲および/または異なる波長範囲に対応し得る。格子2165および2175が同様の格子ベクトルを有する実施形態において、射出瞳の第1のセットおよび射出瞳の第2のセットは、同じFOV範囲および/または波長範囲に対応し得る。射出瞳の第1のセットおよび射出瞳の第2のセットは、重複、または部分的に重複し得る。故に、瞳複製密度は、増大され得、光は、2つの空間的に多重化したVBGのセットによる表示光の回折に起因して、アイボックス内でより均一であり得る。
The
いくつかの実施形態において、表示画像の全FOV範囲は、2つ以上の格子のセットによってカバーされるように2つ以上のFOV範囲に分割され得る。2つ以上のFOV範囲は、一緒に貼り合わせられて、全視野を提供し得る。各FOV範囲について、格子のセットは、アイボックスを満たすために射出瞳を2つの次元において拡大するために使用され得る。 In some embodiments, the full FOV range of the displayed image may be divided into two or more FOV ranges to be covered by two or more sets of grids. Two or more FOV ranges can be glued together to provide a full field of view. For each FOV range, a set of gratings can be used to expand the exit pupil in two dimensions to fill the eyebox.
図22Aは、特定の実施形態に従う、2つの画像プロジェクタ2220および2250を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ2200の例の前面図である。図22Bは、特定の実施形態に従う、2つの画像プロジェクタ2220および2250を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ2200の例の側面図である。画像プロジェクタ2220、第1の入力格子2222、第1の上部格子2230、および下部格子2240は、導波路ディスプレイ2200の全FOVの第1の部分(例えば、左半分)を提供するために使用され得る。全FOVの第1の部分の表示光は、コリメートされ、第1の入力格子2222上に投射され得、この第1の入力格子2222が、例えば、図5~図6に関して上に説明されるように回折によって表示光を導波路2210内にカップリングし得る。表示光は、第1の上部格子2230の第1の部分2232に到達し得、第1の上部格子2230の第1の部分2232によって回折されて伝播方向を変え、第1の上部格子2230の他の部分に到達し得、この他の部分が各々、表示光を下部格子2240の方へ回折し得る。下部格子2240は、上に説明されるように表示光を異なる場所で導波路2210の外へ回折して、複数の射出瞳を形成し得る。第1の上部格子2230の第1の部分2232および第1の上部格子2230の他の部分の各々は、同様の格子パラメータを有し得る(しかしながら、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間において記録され得る)。したがって、それらは、第1の上部格子2230の第1の部分2232および第1の上部格子2230の他の部分の各々における回折の反対のブラッグ条件(例えば、+1次および-1次回折)に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、全体的な分散を低減し得る。
FIG. 22A is a front view of an example volume Bragg grating-based
加えて、第1の入力格子2222および下部格子2240は、少なくともx-y平面において同様の格子パラメータまたは同様の格子ベクトルを有し得(しかしながら、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間において記録され得る)、第1の入力格子2222は、表示光を導波路2210内にカップリングする一方、下部格子2240は、表示光を導波路2210からカップリングアウトし得る。したがって、第1の入力格子2222および下部格子2240は、それぞれの回折についての反対の回折方向および反対のブラッグ条件(例えば、+1次および-1次回折)に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、全体的な分散を低減し得る。このやり方では、第1の上部格子2230の第1の部分2232および第1の上部格子2230の他の部分の各々による分散は、相殺され得、第1の入力格子2222および下部格子2240による分散もまた、相殺され得る。
Additionally, first input grating 2222 and
同様に、画像プロジェクタ2250、第2の入力格子2252、第2の上部格子2260、および下部格子2240(または異なる下部格子)は、導波路ディスプレイ2200の全FOVの別の部分(例えば、右半分)を提供するために使用され得る。上に説明されるように、下部格子2240は、視野の両方の部分のために使用され得るか、または視野の一部分に1つずつ2つの格子を含み得る。第2の上部格子2260の第1の部分2262および他の部分の各々による分散は、相殺され得、第2の入力格子2252および下部格子2240による分散もまた、相殺され得る。したがって、導波路ディスプレイ2200による表示光の全体的な分散は、任意の方向において最小化され得る。そのようなものとして、表示画像のより高い解像度は、ポリマー層が薄く、透過VBGが薄いポリマー層に記録されるとしても、達成され得る。
Similarly,
導波路ディスプレイ2200は、第1の導波路プレート2212および第2の導波路プレート2214など、1つまたは複数の導波路プレート上に複数のポリマー層を含み得る。入力格子2222および2252、上部格子2230および2260、ならびに下部格子2240は各々、複数のポリマー層に記録される複数の格子に分かれ得る。各ポリマー層上の格子は、異なるそれぞれのFOVおよび光スペクトルをカバーし得る。複数のポリマー層の組み合わせは、全FOVおよびスペクトルカバレッジを提供し得る。このやり方では、各ポリマー層は、薄くてもよく(例えば、約20μm~約100μm)、より少ない格子を記録するためにより少ない回数(例えば、約100未満)露光され得、故にシースルー画像の曇りを低減する。複数のポリマー層の全体的な効率は、全FOVおよび可視光スペクトルについて依然として高くなり得る。
図23Aは、特定の実施形態に従う、単一の画像プロジェクタ2320および視野貼り合わせのための格子を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ2300の例の前面図である。図23Bは、特定の実施形態に従う、画像プロジェクタ2320および視野貼り合わせのための格子を有する体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ2300の例の側面図である。導波路ディスプレイ2300は、1つまたは複数の導波路プレート2310上に複数のポリマー層を含み得る。画像プロジェクタ2320、入力格子2330、上部格子2340、および下部格子2350は、導波路ディスプレイ2300の全FOVの第1の部分(例えば、左半分)を提供するために使用され得る。上に説明されるように、FOVの第1の部分の表示光は、コリメートされ、入力格子2330上に投射され得、この入力格子2330が、例えば、上に説明されるように回折によって表示光を導波路プレート2310内にカップリングし得る。表示光は、上部格子2340の第1の部分に到達し得、上部格子2340の第1の部分によって上部格子2340の他の部分へ回折され得、この他の部分が各々、表示光を下部格子2350の方へ回折し得る。下部格子2350は、上に説明されるように表示光を異なる場所で導波路プレート2310の外へ回折して、射出瞳を複製し得る。上部格子2340の第1の部分および他の部分の各々は、互いによって引き起こされる分散を補償し得、入力格子2330および下部格子2350もまた、上に説明されるように互いによって引き起こされる分散を補償し得る。
FIG. 23A is a front view of an example volume Bragg grating-based
画像プロジェクタ2320、入力格子2332、上部格子2342、および下部格子2352は、導波路ディスプレイ2300の全FOVの一部分(例えば、右半分)を提供するために使用され得る。表示光は、入力格子2332によって、コリメートされて、導波路プレート2310内にカップリングされ得る。表示光は、上部格子2342の第1の部分に到達し得、上部格子2342の第1の部分によって上部格子2342の他の部分へ回折され得、この他の部分が各々、表示光を下部格子2352の方へ回折し得る。下部格子2352は、上に説明されるように表示光を異なる場所で導波路プレート2310の外へ回折して、射出瞳を複製し得る。上部格子2342の第1の部分および他の部分の各々は、互いによって引き起こされる分散を補償し得、入力格子2332および下部格子2352もまた、上に説明されるように互いによって引き起こされる分散を補償し得る。
導波路ディスプレイ2300は、1つまたは複数の導波路プレート2310上に複数のポリマー層を含み得、入力格子2330および2332、上部格子2340および2342、ならびに下部格子2350および2352は各々、複数のポリマー層に記録される複数の格子へ分かれ得、各ポリマー層上の格子は、異なるそれぞれのFOVおよび光スペクトルをカバーし得る。複数のポリマー層の組み合わせは、全FOVおよびスペクトルカバレッジを提供し得る。このやり方では、各ポリマー層は、薄くてもよく(例えば、約20μm~約100μm)、より少ない格子を記録するためにより少ない回数(例えば、約100未満)露光されて、曇りを低減し得、複数のポリマー層の全体的な効率は、全FOVおよび可視光スペクトルについては依然として高くなり得る。
図23Bに示される例において、入力格子2330、上部格子2340、および下部格子2350の各々は、2つの多重化格子へ分かれ得、この2つの多重化格子は各々、それぞれのポリマー層に記録され、また各々、それぞれのFOVをカバーし、複数のVBGが、各々それぞれのポリマー層に記録されて、多重化格子を形成し得る。同様に、入力格子2332、上部格子2342、および下部格子2352の各々は、2つの多重化格子へ分かれ得、この2つの多重化格子は各々、それぞれのポリマー層に記録され、また各々、それぞれのFOVをカバーし、複数のVBGが、各々それぞれのポリマー層に記録されて、多重化格子を形成し得る。図23Bに示されるように、入力格子2332および2330は、異なるポリマー層にあってもよい。同様に、上部格子2340および2342は、異なるポリマー層にあってもよく、下部格子2350および2352は、異なるポリマー層にあってもよい。故に、これらの間のクロストークは低減され得る。
In the example shown in FIG. 23B, each of input grating 2330,
図24は、特定の実施形態に従う、異なる視野および/または光波長のための複数の格子層を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ2400の例を例証する。VBGベースの導波路ディスプレイ2400は、上に説明されるVBGベースの導波路ディスプレイ2300の例であり得る。導波路ディスプレイ2400において、格子は、z方向に沿って空間的に多重化され得る。例えば、導波路ディスプレイ2400は、基板2410、2412、2414、および同様のものなど、複数の基板を含み得る。基板は、同様の屈折率を有する同じ材料(複数可)を含み得る。1つまたは複数のVBG(例えば、VBG2420、2422、2424など)は、基板上に形成されるホログラフィ材料層に記録されるなど、各基板上に作製され得る。VBGは、反射格子または透過格子であってもよい。VBGを伴う基板は、空間多重化のためz方向に沿って基板スタックで配置され得る。各VBGは、異なる波長範囲および/または異なるFOV内の表示光を導波路内にカップリングするため、または導波路からカップリングアウトするための異なるブラッグ条件のために設計される複数の格子を含む多重化VBGであってもよい。
FIG. 24 illustrates an example volume Bragg grating-based
図24に示される例において、VBG2420は、導波路内の光線2444によって示されるように、正の視野からの光2434を導波路内にカップリングし得る。VBG2422は、導波路内の光線2440によって示されるように、約0°視野からの光2430を導波路内にカップリングし得る。VBG2424は、導波路内の光線2442によって示されるように、負の視野からの光2432を導波路内にカップリングし得る。上に説明されるように、VBG2420、2422、および2424の各々は、多くの露光を伴う多重化VBGであってもよく、故に、異なるFOV範囲からの光を、導波路内にカップリングし得るか、または導波路からカップリングアウトし得る。
In the example shown in FIG. 24,
図25は、特定の実施形態に従う、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例における複数の格子の視野を例証する。いくつかの実施形態において、格子の各々は、それぞれの格子層内またはそれぞれの導波路プレート上にあってもよい。格子の各々は、多くの露光を含む多重化格子であってもよく、複数のFOV範囲からの表示光を高効率で、導波路内にカップリングし得るか、または導波路からカップリングアウトし得る。例えば、曲線2510は、異なる視野からの光についての第1のVBG(例えば、図24のVBG2422)の回折効率を示し得る。曲線2520は、異なる視野からの光についての第2のVBG(例えば、図24のVBG2420)の回折効率を示し得る。曲線2530は、異なる視野からの光についての第3のVBG(例えば、図24のVBG2424)の回折効率を示し得る。第1、第2、および第3のVBGは、スタックで配置されるとき、全視野(例えば、約-20°~約20°)内の光を高効率でより均一に回折し得る。いくつかの実施形態において、第1のVBG、第2のVBG、および第3のVBGは、同じ色の表示光をカップリングするために使用され得る。異なるVBGのセットは、異なる色の表示光のための全視野をカバーするために使用され得る。
FIG. 25 illustrates the fields of view of multiple gratings in an example volume Bragg grating-based waveguide display, in accordance with certain embodiments. In some embodiments, each grating may be in a respective grating layer or on a respective waveguide plate. Each of the gratings may be a multiplexed grating containing many exposures, allowing display light from multiple FOV ranges to be coupled into or out of the waveguide with high efficiency. obtain. For example,
1つの波長内および1つの角度範囲からの光を回折するように設計されるVBGはまた、別の波長内および別の角度範囲からの光を回折し得る。例えば、特定の周期および傾斜角によって特徴付けられるVBGは、異なる波長内および異なる入射角からの光を回折し得る。 A VBG designed to diffract light within one wavelength and from one angular range may also diffract light within another wavelength and from another angular range. For example, a VBG characterized by a particular period and tilt angle can diffract light within different wavelengths and from different angles of incidence.
図26Aは、体積ブラッグ格子2610の例による、対応する視野からの異なる色の光の回折を例証する。例に示されるように、VBG2610は、第1の入射角からの青色光2602を第1の回折角度で導波路内へ回折し得る。VBG2610はまた、第2の入射角からの緑色光2604を第2の回折角度で導波路内へ回折し得る。VBG2610はさらに、第3の入射角からの赤色光2606を第3の回折角度で導波路内へ回折し得る。
FIG. 26A illustrates diffraction of different colors of light from corresponding fields of view by an example volume Bragg grating 2610 . As shown in the example,
図26Bは、体積ブラッグ格子の格子周期と異なる色の入射光のための対応する視野との関係を例証する。曲線2620は、異なる視野からの赤色光が、異なる格子周期を有するVBGによって回折され得ることを示す。同様に、曲線2630は、異なる視野からの緑色光が、異なる格子周期を有するVBGによって回折され得ることを示し、曲線2630は、異なる視野からの青色光が、異なる格子周期を有するVBGによって回折され得ることを示す。図26Bはまた、特定の格子周期および傾斜角を有するVBGが、異なる波長内および異なる入射角からの(例えば、異なる視野からの)光を回折し得ることを示す。図26Bの領域2605は、2つ以上のそれぞれのFOVからの2つ以上の色の光を回折し得る格子を示す。例えば、図26Bの破線2650は、格子周期約450nmを有するVBGに対応し得、このVBGは、約-7°視野からの赤色光を回折し、約2°視野からの緑色光を回折し、約6°視野からの青色光を回折し得る。
FIG. 26B illustrates the relationship between the grating period of a volume Bragg grating and the corresponding field of view for incident light of different colors.
上に説明されるように、VBGは、反射VBGまたは透過VBGであってもよい。反射VBGおよび透過VBGは、異なる回折特性を有し得る。例えば、図18Aおよび図18Bに関して上に説明されるように、反射格子は、同様の厚さの透過格子よりも比較的低い分散を有し得る。出力格子として使用される透過格子は、図16に関して上に説明されるように、導波路ディスプレイの物理的サイズを低減するために、二次元射出瞳複製のための格子の重複を可能にし得るが、反射格子は、図15に関して上に説明されるように、そうではない場合がある。 As explained above, the VBG may be a reflective VBG or a transmissive VBG. A reflected VBG and a transmitted VBG may have different diffraction properties. For example, as described above with respect to FIGS. 18A and 18B, reflective gratings may have relatively lower dispersion than transmission gratings of similar thickness. Although transmission gratings used as output gratings may allow grating overlap for two-dimensional exit pupil replication to reduce the physical size of the waveguide display, as described above with respect to FIG. , the reflective grating may not be, as described above with respect to FIG.
図27Aは、同じ厚さだが異なる屈折率変調を有する透過体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する。回折効率は、偏光依存であり得る。曲線2710は、s偏光された光についての透過VBGの例の回折効率を示す一方、曲線2720は、p偏光された光についての透過VBGの例の回折効率を示す。曲線2730は、s偏光された光およびp偏光された光(例えば、無偏光の光)についての透過VBGの例の平均回折効率を示す。図27Aに示されるように、曲線2710および曲線2720は、シヌソイド関数の二乗に比例する関数に対応し得る(例えば、∝sin2(a×n1×D))。透過格子の回折効率は、屈折率変調の増加に伴って増加または減少し得る。故に、透過VBGの屈折率変調を増加させることは、必ずしも透過VBGの回折効率を増加させない場合がある。
FIG. 27A illustrates the diffraction efficiency of an example transmissive volume Bragg grating with the same thickness but different refractive index modulations. Diffraction efficiency can be polarization dependent.
図27Bは、同じ厚さだが異なる屈折率変調を有する反射体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する。反射VBGの回折効率もまた、偏光依存である。曲線2760は、s偏光された光についての反射VBGの例の回折効率を示す一方、曲線2720は、p偏光された光についての反射VBGの例の回折効率を示す。曲線2730は、s偏光された光およびp偏光された光(例えば、無偏光の光)についての反射VBGの例の平均回折効率を示す。図27Bに示されるように、反射VBGの回折効率は、屈折率変調の増加に伴って増加し得(例えば、∝tanh2(a×n1×D))、屈折率変調が特定の値に到達するときに飽和し得る。
FIG. 27B illustrates the diffraction efficiency of an example reflective volume Bragg grating with the same thickness but different refractive index modulations. The diffraction efficiency of the reflected VBG is also polarization dependent.
図28A~図28Dは、ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての異なる屈折率変調を伴う透過体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する。図28Aの曲線2810は、屈折率変調約0.002を伴う透過VBGの例の回折効率を示し、主ローブのピーク回折効率は100%に近い。図28Bの曲線2820は、屈折率変調約0.004を伴う透過VBGの例の回折効率を示し、図28Aの透過VBGと比較して、ピーク回折効率は、約0°で約0に下がり、回折効率曲線2820は2つのピークを有し、サイドローブは増加する。図28Cの曲線2830は、屈折率変調約0.0054を伴う透過VBGの例の回折効率を示し、図28Bの透過VBGと比較して、ピーク回折効率、主ローブのFWHM角度範囲、およびサイドローブは、増加し得る。図28Dの曲線2840は、屈折率変調約0.0078を伴う透過VBGの例の回折効率を示し、図28Cの透過VBGと比較して、ピーク回折効率は減少し、回折効率曲線2840は2つのピークを有し、サイドローブは増加する。
Figures 28A-28D illustrate the diffraction efficiency of an example transmissive volume Bragg grating with different refractive index modulations as a function of the angle of incidence deviation from the Bragg condition.
図29A~図29Dは、ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての異なる屈折率変調を有する反射体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する。図29Aの曲線2910は、屈折率変調約0.002を伴う反射VBGの例の回折効率を示し、主ローブのピーク回折効率は80%よりも大きい。図29Bの曲線2920は、屈折率変調約0.004を伴う反射VBGの例の回折効率を示し、図29Aの反射VBGと比較して、ピーク回折効率は100%まで増加し、主ローブのFWHM角度範囲は増加し、サイドローブは増加する。図29Cの曲線2930は、屈折率変調約0.0054を伴う反射過VBGの例の回折効率を示し、図29Bの反射VBGと比較して、ピーク回折効率は約100%であり、主ローブのFWHM角度範囲はさらに増加し、およびサイドローブも同様にさらに増加する。図29Dの曲線2940は、屈折率変調約0.0078を伴う反射VBGの例の回折効率を示し、図29Cの反射VBGと比較して、ピーク回折効率は約100%であり、主ローブのFWHM角度範囲はさらに増加し、およびサイドローブも同様にさらに増加する。
Figures 29A-29D illustrate the diffraction efficiency of example reflective volume Bragg gratings with different refractive index modulations as a function of the angle of incidence deviation from the Bragg condition.
透過VBGの場合、偏光された光の回折効率は、図27Aに示されるように、屈折率変調の関数(例えば、∝sin2(a×n1×D))であり得る。加えて、回折効率は、色依存であり得る。例えば、透過VBGは、1つの色(例えば、青)について別の色(例えば、緑または赤)よりも、図27Aに示される第1の回折ピークに到達するために低い屈折率変調を必要とし得る。図27Aに示される第1の回折ピークに対応する屈折率変調よりも低い特定の屈折率変調を伴う格子は、青色光については緑または赤色光よりも高い回折効率を有し得る。 For a transmissive VBG, the diffraction efficiency of polarized light can be a function of the refractive index modulation (eg, ∝ sin 2 (a×n1×D)), as shown in FIG. 27A. Additionally, the diffraction efficiency can be color dependent. For example, a transmissive VBG requires a lower refractive index modulation to reach the first diffraction peak shown in FIG. 27A for one color (e.g. blue) than another color (e.g. green or red). obtain. A grating with a particular refractive index modulation lower than that corresponding to the first diffraction peak shown in FIG. 27A may have a higher diffraction efficiency for blue light than for green or red light.
図30A~図30Cは、第1の屈折率変調(例えば、約0.01)を伴う透過VBGの例の回折効率を例証する。透過VBGは、図26Aおよび図26Bに関して上に説明されるように、異なるそれぞれの視野からの異なる色の光を異なるそれぞれの回折効率で回折し得る。例えば、図30Aの曲線3010は、約14°視野からの青色光についての透過VBGの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は100%に近い場合がある。図30Bの曲線3020は、約10°視野からの緑色光についての同じ透過VBGの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、まだ100%に到達していない(例えば、約90%)。図30Cの曲線3030は、約3°視野からの赤色光についての同じ透過VBGの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、約80%であり得る。
30A-30C illustrate the diffraction efficiency of an example transmissive VBG with a first refractive index modulation (eg, about 0.01). A transmissive VBG may diffract different colors of light from different respective fields of view with different respective diffraction efficiencies, as described above with respect to FIGS. 26A and 26B. For example,
図30D~図30Fは、第2の屈折率変調(例えば、0.012)を伴う透過VBGの例の回折効率を例証する。透過VBGは、図30A~図30Cと関連付けられた透過VBGとは屈折率変調のみが異なり得る。透過VBGは、異なるそれぞれの視野からの異なる色の光を異なるそれぞれの回折効率で回折し得る。例えば、図30Dの曲線3012は、約14°視野からの青色光についての透過VBGの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、屈折率変調が図30Aに示されるような第1の回折効率ピークと関連付けられた屈折率変調よりも大きいことから、図30Aに示される約100%のピーク値から減少している場合がある。図30Eの曲線3022は、約10°視野からの緑色光についての同じ透過VBGの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、増加している場合がある(例えば、90%よりも大きい)。図30Fの曲線3032は、約3°視野からの赤色光についての同じ透過VBGの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、80%超まで増加している場合がある。
Figures 30D-30F illustrate the diffraction efficiency of an example transmissive VBG with a second refractive index modulation (eg, 0.012). The transmissive VBG may differ from the transmissive VBG associated with FIGS. 30A-30C only in refractive index modulation. A transmissive VBG may diffract different colors of light from different respective fields of view with different respective diffraction efficiencies. For example,
図30G~図30Iは、第3の屈折率変調(例えば、0.015)を伴う透過VBGの例の回折効率を例証する。透過VBGは、図30A~図30Fと関連付けられた透過VBGとは屈折率変調のみが異なり得る。透過VBGは、異なるそれぞれの視野からの異なる色の光を異なるそれぞれの回折効率で回折し得る。例えば、図30Gの曲線3014は、約14°視野からの青色光についての透過VBGの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、屈折率変調が図30Aに示されるような第1の回折効率ピークと関連付けられた屈折率変調よりも大きいことから、図30Dに示される値からさらに減少している場合がある。図30Hの曲線3024は、約10°視野からの緑色光についての同じ透過VBGの回折効率を例証し得、ピーク回折効率はまた、その最大値から減少している場合がある。図30Iの曲線3034は、約3°視野からの赤色光についての同じ透過VBGの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、さらに増加している場合がある。
30G-30I illustrate the diffraction efficiency of an example transmissive VBG with a third refractive index modulation (eg, 0.015). The transmissive VBG may differ from the transmissive VBG associated with FIGS. 30A-30F only in refractive index modulation. A transmissive VBG may diffract different colors of light from different respective fields of view with different respective diffraction efficiencies. For example,
対照的に、反射VBGの場合、図27Bおよび図29A~図29Dに示されるように、回折効率は、屈折率変調の増加に伴って減少しない場合がある。回折効率曲線の主ローブおよびサイドローブのFWHM角度範囲は、屈折率変調の増加に伴って増加し得る。 In contrast, for a reflective VBG, the diffraction efficiency may not decrease with increasing refractive index modulation, as shown in Figures 27B and 29A-29D. The FWHM angular range of the main lobe and side lobes of the diffraction efficiency curve can increase with increasing refractive index modulation.
図31Aは、異なる色について回折飽和を達成するために、異なる格子周期を有する透過体積ブラッグ格子の最小屈折率変調を例証する。曲線3110は、赤色光について最大回折効率を達成するための透過VBGの最小屈折率変調を示し、曲線3120は、緑色光について最大回折効率を達成するための透過VBGの最小屈折率変調を示す一方、曲線3130は、青色光について最大回折効率を達成するための透過VBGの最小屈折率変調を示す。例証されるように、所与の格子周期および厚さを有する格子の場合、最大回折効率を達成するための最小屈折率変調は、異なる色では異なり得る。例えば、青色光の場合の最大回折効率のための最小屈折率変調は、緑色光または赤色光の場合のものよりも低くてもよい。故に、図30A~図30Iにも例証されるように、複数の色にある光を回折することができる格子の場合、屈折率変調が青色光について最も高い回折効率を達成することができる値にあるとき、緑色光および赤色光についての同じ格子の回折効率は、より低くてもよく、屈折率変調が赤色光について最も高い回折効率を達成することができる値にあるとき、青色光および緑色光についての同じ格子の回折効率は、それらのピーク値から減少し得る。したがって、異なる色についての回折効率間に何らかのトレードオフが存在する必要があり得る。
FIG. 31A illustrates the minimum refractive index modulation of transmissive volume Bragg gratings with different grating periods to achieve diffraction saturation for different colors.
図31Bは、任意の色の屈折率変調飽和を回避するために異なる格子周期を有する透過格子の屈折率変調を示す曲線3140を例証する。例えば、青色光を回折し得る格子の場合、屈折率変調は、青色光の屈折率変調飽和に基づいて決定され得る。緑色および赤色光のみを回折し得る格子の場合、屈折率変調は、緑色光の屈折率変調飽和に基づいて決定され得る。赤色光のみを回折し得る格子の場合、屈折率変調は、赤色光の屈折率変調飽和に基づいて決定され得る。
FIG. 31B illustrates a
上に説明されるように、赤、緑、および青色光のための全視野をカバーするために、VBGは、異なる記録光パターンに複数回露光される多重化格子であってもよく、各露光が、異なるそれぞれの視野からの赤、緑、および青色光を回折し得る格子を記録し得る。多重化VBG内の格子は、異なる格子周期を有し得る。多重化VBGは、全視野からのすべての色の光を回折するために使用され得る。加えて、多重化VBG内の格子は、異なる色についての回折効率を最適化するために異なる屈折率変調を有し得る。 As explained above, to cover the entire field of view for red, green, and blue light, the VBG may be a multiplexed grating exposed multiple times to different recording light patterns, each exposure can record gratings that can diffract red, green, and blue light from different respective fields of view. Gratings in a multiplexed VBG can have different grating periods. A multiplexed VBG can be used to diffract all colors of light from the full field of view. Additionally, the gratings in the multiplexed VBG can have different refractive index modulations to optimize the diffraction efficiency for different colors.
図31Cは、特定の実施形態に従う、最適化された回折効率および回折効率均一性のための異なるピッチおよび異なる屈折率変調の多重化VBGを含む格子層の例を例証する図解3150である。図解3150内の各データ点3152は、格子の周期および対応する屈折率変調を示す。例証された例において、格子層は、40超の格子を含み得る。格子層は、約0.08の最大屈折率変調を有し得る。各格子は、約0.002以下の屈折率変調を有し得る。多重化格子は、組み合わせて、可視光のための全FOVを提供し得る。
FIG. 31C is a diagram 3150 illustrating an example grating layer including multiplexed VBGs of different pitches and different refractive index modulations for optimized diffraction efficiency and diffraction efficiency uniformity, according to certain embodiments. Each
大きい視野のための光の回折効率を増加させるために多重化VBG内のより多くの格子を多重化することが、一般的には望ましい場合がある。しかしながら、多くの格子が多重化VBGにおいて多重化されるとき、クロストークが格子間に発生し得る。 It may generally be desirable to multiplex more gratings in a multiplexed VBG to increase the diffraction efficiency of light for large fields of view. However, when many gratings are multiplexed in a multiplexed VBG, crosstalk can occur between gratings.
図32Aは、導波路ディスプレイ3200における多重化体積ブラッグ格子の例によって引き起こされたクロストークを例証する。導波路ディスプレイ3200は、入力格子3212を含む多重化入力格子を含み得る。導波路ディスプレイ3200はまた、同じ格子層または複数の格子層に記録され得る、第1の出力格子3214および第2の出力格子3216など、2つ以上の出力格子を含む多重化出力格子3210を含み得る。第1の色にある、また第1の視野のための、表示光は、入力格子3212によって導波路内にカップリングされ得、第1の出力格子3214によって、入力角度に等しい出力角度(例えば、例証された例では約90°)など、所望の角度で導波路からカップリングアウトされ得る。入力格子3212および第1の出力格子3214は、一致する格子ベクトル(例えば、少なくともx-y平面において)を有し得、故に、互いによって引き起こされる分散を補償し、入力角度に等しい出力角度を保持し得る。
FIG. 32A illustrates crosstalk induced by an example of multiplexed volume Bragg gratings in a
第2の出力格子3216と関連付けられたFOVは、例えば、図28A~図30Iに示されるような各格子の回折効率曲線の非ゼロ幅に起因して、第1の出力格子3214と関連付けられた第1のFOVと少なくとも部分的に重複し得る。したがって、第1の視野からの、および入力格子3212によって導波路内にカップリングされる、表示光は、第2の出力格子3216によって、望ましくない角度で導波路から少なくとも部分的にカップリングアウトされ得る。入力格子3212と第2の出力格子3216との格子ベクトル不一致が理由で、入力角度(例えば、例では約90°)、ならびに第1のFOV内の、および第2の出力格子3216によって導波路からカップリングアウトされる、表示光の出力角度は、図32Aに示されるように異なり得る。故に、望ましくないゴースト画像が生成され得る。
The FOV associated with the second output grating 3216 was associated with the first output grating 3214 due to, for example, the non-zero width of each grating's diffraction efficiency curve as shown in FIGS. It may overlap at least partially with the first FOV. Thus, display light from the first field of view and coupled into the waveguide by the input grating 3212 is at least partially coupled out of the waveguide at undesired angles by the
図32Bは、体積ブラッグ格子の格子周期と異なる色の入射光のための対応する視野との関係を例証する。例証されるように、同じVBG(例えば、線3230によって表されるVBG)は、負の視野(線3230および曲線3240の交差点によって示されるような)からの第1の波長にある赤色光を回折し得る。同じVBGはまた、異なる負の視野(線3230および曲線3242の交差点によって示されるような)からの異なる(例えば、第2の)波長にある赤色光を回折し得る。第1の波長および第2の波長にある赤色光は、狭いスペクトル範囲にある光を放出する同じ光源(例えば、赤色LED)によって放出され得る。同様に、同じVBGは、正の視野(線3230および曲線3250の交差点によって示されるような)からの第3の波長にある緑色光、および異なる正の視野(線3230および曲線3252の交差点によって示されるような)からの異なる(例えば、第4の)波長にある緑色光を回折し得る。第3の波長および第4の波長にある緑色光は、狭いスペクトル範囲にある光を放出する同じ光源(例えば、緑色LED)によって放出され得る。同じVBGは、正の視野(線3230および曲線3260の交差点によって示されるような)からの第5の波長にある青色光、および異なる正の視野(線3230および曲線3262の交差点によって示されるような)からの異なる(例えば、第6の)波長にある青色光を回折し得る。第5の波長および第6の波長にある青色光は、狭いスペクトル範囲にある光を放出する同じ光源(例えば、青色LED)によって放出され得る。
FIG. 32B illustrates the relationship between the grating period of a volume Bragg grating and the corresponding fields of view for incident light of different colors. As illustrated, the same VBG (eg, the VBG represented by line 3230) diffracts red light at a first wavelength from the negative field of view (as indicated by the intersection of
場合によっては、ゴースト効果が、異なる視野のための格子による第1の視野のための表示光の望ましくない回折によって引き起こされ得る。例えば、ゴースト画像は、FOVの左半分のための表示光がFOVの右半分のための上部格子によって回折される場合、またはFOVの右半分のための表示光がFOVの左半分のための上部格子によって回折される場合に存在し得る。いくつかの実施形態において、ゴースト効果を低減するため、2つ以上の上部格子は、互いからオフセットされ得、重複しない場合がある。いくつかの実施形態において、2つ以上の上部格子は、格子による表示光の望ましくない回折がアイボックスに到達することができず、故にユーザによって観察されることができないように設計され得る。 In some cases, ghost effects can be caused by unwanted diffraction of display light for a first field by gratings for different fields. For example, ghost images can occur if the display light for the left half of the FOV is diffracted by the top grating for the right half of the FOV, or if the display light for the right half of the FOV is diffracted by the top grating for the left half of the FOV. It can be present when diffracted by a grating. In some embodiments, two or more top gratings may be offset from each other and may not overlap to reduce ghosting effects. In some embodiments, the two or more upper gratings may be designed so that unwanted diffraction of display light by the gratings cannot reach the eyebox and thus be observed by the user.
上に説明されるように、透過格子および反射格子は、回折効率、回折効率飽和、分散、FWHM角度範囲、および同様のものなど、異なる性能特徴を有し得る。例えば、透過格子は、反射格子よりも幅の広いブラッグピーク線幅を有し得る。加えて、透過VBGまたは反射VBGについてのブラッグピーク線幅は、対応する視野により変化し得る。 As explained above, transmission and reflection gratings can have different performance characteristics such as diffraction efficiency, diffraction efficiency saturation, dispersion, FWHM angular range, and the like. For example, a transmission grating may have a wider Bragg peak linewidth than a reflection grating. In addition, the Bragg peak linewidth for transmitted or reflected VBG can vary with the corresponding field of view.
図33Aは、異なる視野についての透過体積ブラッグ格子および反射体積ブラッグ格子のブラッグピークの線幅を例証する。曲線3310は、異なる視野のための透過VBGのブラッグピークの線幅を示す。曲線3310は、透過VBGのブラッグピークの線幅が対応する視野の増大と共に著しく増大し得ることを示す。曲線3320は、異なる視野のための反射VBGのブラッグピークの線幅を例証する。曲線3320は、反射VBGのブラッグピークの線幅が対応する視野の増大と共にわずかにのみ増大し得ることを示す。
FIG. 33A illustrates linewidths of Bragg peaks of transmission and reflection volume Bragg gratings for different fields of view.
図33Bは、異なる視野についての透過体積ブラッグ格子のブラッグピーク3330の例を例証する。示されるように、より大きい視野のための透過VBGの線幅は、より小さい視野のための透過VBGの線幅よりもはるかに幅広くてもよく、故に、より大きいFOV範囲をカバーし得る。
FIG. 33B illustrates examples of
図33Cは、異なる視野についての反射体積ブラッグ格子のブラッグピーク3340の例を例証する。示されるように、より大きい視野のための反射VBGの線幅は、より小さい視野のための反射VBGの線幅とほぼ同じであり得る。
FIG. 33C illustrates examples of
図34Aは、複数のVBGを含む多重化体積ブラッグ格子の例におけるクロストークと効率との間のトレードオフを例証する。図34Aに示される例において、VBGは、曲線3410によって示されるように、ブラッグピーク重複、および故に大きい正の視野からの青色光のためのVBG間のクロストークを回避するために疎に多重化され得る。上に説明されるように、VBGは、他の視野からの他の色の光も回折し得る。故に、正の視野からの青色光を回折するための格子は、負の視野からの赤色光も回折し得る。しかしながら、図33A~図33Bに関して上に説明されるように、格子が疎に多重化され、透過格子のブラッグピークの線幅が負の視野においてより狭いことから、いくつかの負の視野からの赤色光は、曲線3420内のピーク間の空隙によって示されるように格子によって回折されない場合があり、故に、特定の負の視野における赤色光についての効率性を低減する。
FIG. 34A illustrates the tradeoff between crosstalk and efficiency in an example of a multiplexed volume Bragg grating containing multiple VBGs. In the example shown in FIG. 34A, the VBGs are sparsely multiplexed to avoid Bragg peak overlap and hence crosstalk between VBGs for blue light from large positive fields, as shown by
図34Bは、複数のVBGを含む多重化体積ブラッグ格子の例におけるクロストークと効率との間のトレードオフを例証する。例証された例において、VBGは、曲線3440によって示されるように赤色光のための負の視野のカバレッジを増大するために密に多重化され得る。密に多重化されたVBGは、正の視野からの青色光も回折し得る。VBGが密に多重化され、透過格子のブラッグピークの線幅が正の視野においてより幅広いことから、正の視野における青色光のブラッグピークは、曲線3430によって示されるように、重複し、大きい正の視野からの青色光のためのVBG間のクロストークを引き起こし得る。
FIG. 34B illustrates the tradeoff between crosstalk and efficiency in an example of a multiplexed volume Bragg grating containing multiple VBGs. In the illustrated example, the VBG can be densely multiplexed to increase negative field coverage for red light as shown by
故に、透過格子において、クロストークを最小限にし、かつ効率を最大限にするのは困難であり得る。多くの場合、透過VBGベースの導波路ディスプレイの最大限の達成可能な効率は、最大許容クロストークによって制限され得る。 Therefore, it can be difficult to minimize crosstalk and maximize efficiency in transmission gratings. In many cases, the maximum achievable efficiency of a transmissive VBG-based waveguide display can be limited by the maximum allowable crosstalk.
図35Aは、多重化透過体積ブラッグ格子における最小回折効率と合計屈折率変調と対応するクロストークとの関係を例証する。図35Aの水平軸は、所望の最小効率に対応する。データ点3520は、対応する所望の最小回折効率を達成するための最小屈折率変調を示す。データ点3510は、対応する所望の最小効率を達成するための対応する最小屈折率変調と関連付けられた最大クロストーク値を示す。
FIG. 35A illustrates the relationship between minimum diffraction efficiency and total refractive index modulation and corresponding crosstalk in a multiplexed transmission volume Bragg grating. The horizontal axis of FIG. 35A corresponds to the desired minimum efficiency.
図35Aに示される例において、所望のクロストークは、破線3530によって示されるように、例えば、0.06未満であってもよい(チェッカーボードコントラストが約30であり得るように)。各導波路プレートには、2つのポリマー層が装着されていてもよい。各ポリマー層における最大屈折率変調は、合計屈折率変調が破線3540によって示されるように約0.1であり得るように、例えば、約0.05であってもよい。データ点3542によって示されるように、2つのポリマー層の合計屈折率変調が、所望の効率を達成するために0.1であるとき、クロストークは、破線3530によって示される最大許容クロストークよりもはるかに高くてもよい。データ点3532によって示されるように、0.06未満のクロストークを達成するため、ポリマー層の最大屈折率変調は、完全に利用されなくてもよく、最小効率は比較的低くなり得る。図35Aのデータ点3532によって示される例において、2つのポリマー層の合計屈折率変調の約20%のみが、クロストーク性能を達成するために利用され得る。故に、透過VBGベースの導波路ディスプレイの効率は、最大許容クロストークによって制限され得る。
In the example shown in FIG. 35A, the desired crosstalk may be, for example, less than 0.06 (so that the checkerboard contrast may be approximately 30), as indicated by dashed
図35Bは、多重化反射体積ブラッグ格子における最小回折効率と合計屈折率変調と対応するクロストークとの関係を例証する。水平軸は、所望の最小効率に対応する。データ点3570は、対応する所望の最小効率を達成するための屈折率変調を示す。データ点3560は、対応する所望の最小効率を達成するための対応する屈折率変調と関連付けられた最大クロストーク値を示す。
FIG. 35B illustrates the relationship between minimum diffraction efficiency and total refractive index modulation and corresponding crosstalk in a multiplexed reflective volume Bragg grating. The horizontal axis corresponds to the desired minimum efficiency.
図35Bに示される例において、各導波路プレートには、2つのポリマー層が装着されていてもよい。各ポリマー層における最大屈折率変調は、合計屈折率変調が破線3580によって示されるように、例えば、約0.1であり得るように、例えば、約0.05であってもよい。図35Bの点3582によって示されるように、ポリマー層の最大屈折率変調(例えば、0.1)が完全に利用されるとき、格子のクロストークは、線3590によって示されるように最大許容クロストークよりも依然としてはるかに低く(例えば、約0.06)、効率は比較的高くなり得る。故に、反射VBGベースの導波路ディスプレイにおいて、回折効率は、ポリマー層の最大屈折率変調によって制限され得る。様々な実施形態において、透過格子および反射格子は、形状因子、効率、画像品質、および同様のものなど、設計上の考慮事項に基づいて選択され得る。
In the example shown in FIG. 35B, each waveguide plate may have two polymer layers attached. The maximum refractive index modulation in each polymer layer may be, for example, about 0.05, such that the total refractive index modulation may be, for example, about 0.1, as indicated by dashed
透過VBGおよび反射VBGの特徴、ならびに、効率、視野、解像度、コントラスト、クロストーク、ゴースト画像、レインボー効果、物理的寸法、および同様のものなどの導波路ディスプレイの所望の特徴に基づいて、透過VBGまたは反射VBGが、導波路ディスプレイを実装するために選択され得る。例えば、図27Bおよび図29A~図29Dに関して上に説明されるように、反射格子では、回折効率は、屈折率変調がしきい値を上回るときに飽和し得る。FWHM角度範囲またはFWHM波長範囲は、屈折率変調が増加し続けると広がり得る。反射VBGのそのような特性は、いくつかの導波路システムにおいて利用され得る。 Transmissive VBG and reflected VBG characteristics and desired characteristics of waveguide displays such as efficiency, field of view, resolution, contrast, crosstalk, ghost images, rainbow effect, physical dimensions, and the like. Or a reflective VBG can be chosen to implement a waveguide display. For example, as described above with respect to Figures 27B and 29A-29D, in reflective gratings the diffraction efficiency can saturate when the refractive index modulation exceeds a threshold value. The FWHM angular range or FWHM wavelength range can widen as the refractive index modulation continues to increase. Such properties of reflected VBG can be exploited in some waveguide systems.
例えば、導波路ディスプレイの例において、プロジェクト内の光源は、約10nm~約30nmの波長帯域幅で光を放出し得る。約50μmの厚さを有する不飽和の反射VBGでは、FWHM波長範囲は、約1nmであってもよい。故に、複数のVBGが、光源の波長帯域幅にある放出された光を回折するために必要とされ得る。約50μmの厚さを有する飽和した反射VBGのFWHM波長範囲は、1nmよりもはるかに広くてもよく、故に、より少ない反射VBGが、光源の波長帯域幅にある放出された光を回折するために必要とされ得る。 For example, in the waveguide display example, the light source in the project may emit light in a wavelength bandwidth of about 10 nm to about 30 nm. For an unsaturated reflective VBG with a thickness of about 50 μm, the FWHM wavelength range may be about 1 nm. Therefore, multiple VBGs may be required to diffract the emitted light in the wavelength bandwidth of the source. The FWHM wavelength range of a saturated reflective VBG with a thickness of about 50 μm can be much wider than 1 nm, so less reflective VBG diffracts emitted light that is in the wavelength bandwidth of the source. may be required for
図36は、特定の実施形態に従う、異なる屈折率変調を有する空間多重化反射体積ブラッグ格子を含む導波路ディスプレイ3600の例を例証する。図36に示される反射VBGは、1次元瞳拡大および分散補償のために使用され得る。図36に示される反射VBGは、単に例証の目的のためであるということに留意されたい。いくつかの実施形態において、追加の反射または透過VBG格子3615が、瞳を別の次元において拡大して、上に説明されるように2つの次元において瞳拡大を達成するために使用され得る。例えば、VBG格子3615は、上に説明されるように第1の次元に実質的に垂直の第2の次元における瞳拡大および分散補償のために使用され得る反射VBGの別のセットを含み得る。
FIG. 36 illustrates an
図36に示される例において、導波路ディスプレイ3600は、第1の反射格子3610および第2の反射格子3620を含み得る。第1の反射格子3610および第2の反射格子3620は、x-y平面において同じ格子ベクトルならびにz方向において同じおよび/または反対の格子ベクトルなど、一致する格子ベクトルを有し得る。例えば、第1の反射格子3610および第2の反射格子3620は、格子周期、傾斜角、および厚さ、ならびに同様のものなど、いくつかの同じ格子パラメータを有し得る。第1の反射格子3610および第2の反射格子3620は、上に説明されるように互いによって引き起こされる分散を補償し得る。
In the example shown in FIG. 36,
いくつかの実施形態において、第1の反射格子3610は、入力格子1922、2222、2252、2330、2332、および同様のものなど、上に説明される入力格子の例であり得る。第2の反射格子3620は、第2の格子1940、下部格子2240、下部格子2350および2352、ならびに同様のものなど、出力格子または下部格子の例であり得る。第1の反射格子3610および第2の反射格子3620は、それぞれ、表示光を導波路内にカップリングするため、および導波路からカップリングアウトするために使用され得る。
In some embodiments, first
いくつかの実施形態において、第1の反射格子3610は、第1の格子1930の第1の部分1932、第1の上部格子2230の第1の部分2232、第2の上部格子2260の第1の部分2262、上部格子2340の第1の部分、上部格子2342の第1の部分、および同様のものの例であり得る。第2の反射格子3620は、第1の格子1930、第1の上部格子2230、第2の上部格子2260、上部格子2340、上部格子2342、および同様のものの他の部分の例であり得る。
In some embodiments, first
導波路ディスプレイ3600において、第1の反射格子3610および第2の反射格子3620は、異なる屈折率変調を有し得る。例えば、第1の反射格子3610は、強く飽和され得、故に、第1の反射格子3610の回折効率は、図形3612によっておおよそ示され得、FWHM波長範囲(および/またはFWHM角度範囲)は、大きい波長範囲(および/または大きいFOV範囲)をカバーするために幅広であってもよい。故に、第1の反射格子3610は、大きい波長範囲(および/または大きいFOV範囲)にある表示光を回折し得る。
In
第2の反射格子3620は、複数の区域3622、3624、3626、および同様のものを含み得る。第1の反射格子3610によって回折される(例えば、導波路内にカップリングされるか、または異なる方向へ偏向される)表示光は、全内部反射を通じて導波路と伝播し得、直接的または間接的に(例えば、格子3615を通じて)、第2の反射格子3620の複数の区域の各々に到達し得る。第2の反射格子3620の複数の区域は各々、表示光の一部分を、例えば、導波路からカップリングアウトし得るか、または出力(もしくは下部)格子の方へカップリングし得る。複数の区域3622、3624、3626、および同様のものの各々は、異なるそれぞれの屈折率変調を有し得、故に、異なるそれぞれのレベルで飽和され得、異なるそれぞれのFWHM波長範囲(および/またはFWHM角度範囲)を有し得る。例えば、第1の区域3622は、飽和レベルを下回る、飽和レベルにある、または飽和レベルをわずかに上回る屈折率変調を有し得、故に、図形3632によって示される回折効率曲線を有し得る。第2の区域3624は、より高い屈折率変調を有し得、故に、図形3634によって示されるように、より幅広のFWHM波長範囲(および/またはFWHM角度範囲)を有し得る。第3の区域3626は、さらにより高い屈折率変調を有し得、故に、図形3636によって示されるように、はるかにより幅広のFWHM波長範囲(および/またはFWHM角度範囲)を有し得る。いくつかの実施形態において、第2の反射格子3620は、異なる屈折率変調および異なるFWHM波長範囲(および/またはFWHM角度範囲)を有し得る複数の(例えば、4つ以上の)区域を含み得る。
The second reflective grating 3620 may include
いくつかの実施形態において、第2の反射格子3620の第1の区域3622は、第1の波長(および/またはFOV)範囲にある表示光を高い効率(例えば、図形3632によって示されるように100%に近い)で導波路からカップリングアウトして、第1の波長(および/またはFOV)範囲にある光のための瞳を複製し得る。第2の反射格子3620の第2の区域3624は、第2の波長(および/またはFOV)範囲にある表示光を図形3634によって示されるような高い効率で導波路からカップリングアウトし得る。第2の波長(および/またはFOV)範囲は、第1の波長(および/またはFOV)範囲を含み得、第1の波長(および/またはFOV)範囲よりも広くてもよい。第1の波長(および/またはFOV範囲)にある光の大部分またはすべてが、第1の区域3622によって回折されていてもよいため、第2の区域3624は、第2の波長(および/またはFOV)範囲内にある光のみを回折し得、別の瞳を複製するために図形3634内のエリア3644によって示されるように第1の区域3622によって回折されていない。同様に、第2の反射格子3620の第3の区域3626は、第3の波長(および/またはFOV)範囲にある表示光を図形3636によって示されるような高い効率で導波路からカップリングアウトし得る。第3の波長(および/またはFOV)範囲は、第2の波長(および/またはFOV)範囲を含み得、第2の波長(および/またはFOV)範囲よりも広くてもよい。第2の波長(および/またはFOV)範囲にある光の大部分またはすべてが、第1の区域3622および第2の区域3624によって回折されていてもよいため、第3の区域3626は、第3の波長(および/またはFOV)範囲内にある光のみを回折し得、第3の瞳を複製するために図形3636に示されるように第1の区域3622および第2の区域3624によって回折されていない。
In some embodiments, the
いくつかの実施形態において、第1の反射格子3610および第2の反射格子3620は各々、複数の飽和した反射VBGを含むそれぞれの多重化格子内の格子であってもよい。多重化格子内の各々の飽和した反射VBGは、例えば、図26A、図26B、および図32Bに関して上に説明されるように、異なるそれぞれの波長および/またはFOV範囲からの赤、緑、および/または青色光を回折し得る。複数の飽和した反射VBGは、故に、例えば、図19B、図22B、図23B、図25、および図33Cに関して上に説明されるように、光源(例えば、赤、緑、および青色LED)によって放出される表示画像の赤、緑、および青色光のための全FOVを提供し得る。
In some embodiments, the first
いくつかの実施形態において、透過格子の回折効率が偏光感受型であり、入ってくる表示光が無偏光であり得ることから、表示光のいくつかの成分は、格子によって回折されない場合があり、故に、導波路ディスプレイの効率は低減され得る。無偏光の光または特定の偏光状態にある光の効率を向上させるため、偏光変換器および2つの空間的に多重化された格子が、表示光を導波路内にカップリングするため、または導波路からカップリングアウトするために使用され得る。 In some embodiments, since the diffraction efficiency of the transmission grating is polarization sensitive and the incoming display light may be unpolarized, some components of the display light may not be diffracted by the grating; Hence, the efficiency of waveguide displays can be reduced. To improve the efficiency of unpolarized light or light in a particular polarization state, a polarization converter and two spatially multiplexed gratings are used to couple the display light into a waveguide or can be used to couple out from.
図37は、特定の実施形態に従う、2つの多重化体積ブラッグ格子3710および3740、ならびに2つの多重化体積ブラッグ格子3710および3740間の偏光変換器3730を含む導波路ディスプレイ3700の例を例証する図である。いくつかの実施形態において、透過格子の回折効率が偏光感受型であり、入ってくる表示光が無偏光であり得ることから、表示光のいくつかの成分は、格子によって回折されない場合があり、故に、導波路ディスプレイの効率は低減され得る。無偏光の光または特定の偏光状態にある光の効率を向上させるため、偏光変換器および2つの空間的に多重化された格子が、表示光を導波路内にカップリングするため、または導波路からカップリングアウトするために使用され得る。第1のVBG3710は、基板3720上、または偏光変換器3730の表面上に形成され得る。第2のVBG3740は、基板3750上、または偏光変換器3730の別の表面上に形成され得る。
FIG. 37 illustrates an
無偏光の光3702は、s偏光された光およびp偏光された光を含み得る。第1のVBG3710は、回折光3704によって示されるように、s偏光された光の大部分およびp偏光された光の一部分を回折し得る。回折光3704は、偏光変換器3730によって部分的に変換され、ブラッグ条件が満足されないため、透過光3706によって示されるように、第2のVBG3740によって回折されることなく第2のVBG3740を通過し得る。第1のVBG3710によって回折されないp偏光された光の部分3708は、偏光変換器3730を通過し得、s偏光された光へと変換され得、第2のVBG3740によって回折され得、回折光3712は、透過光3706と同じ伝播方向を有し得る。このやり方では、無偏光の光3702は、導波路ディスプレイ3700によってより効率的に回折され得る。
Unpolarized light 3702 may include s-polarized light and p-polarized light. The
外部光(例えば、ランプまたは太陽などの外部光源からの)は、格子カプラの表面において反射されて、格子カプラへ戻り得、反射光は、格子カプラによって回折されてレインボー画像を生成し得る。何らかの導波路ディスプレイにおいて、導波路ディスプレイのシースルー視野の外側の大きい入射角を有する周囲光もまた、格子カプラによって回折されてレインボー画像を生成し得る。いくつかの実施形態によると、反射コーティング層(例えば、大きいシースルーFOVからの光のため)および/または反射防止コーティング層(例えば、小さいシースルーFOVからの光のため)などの追加の構造体が、レインボー効果などの光学アーチファクトを低減するために導波路ディスプレイにおいて使用され得る。例えば、角度選択的な透過層が、外部光源によって引き起こされるアーチファクトを低減するために導波路および導波路ディスプレイの格子カプラの前(または後ろ)に置かれ得る。角度選択的な透過層は、ニアアイディスプレイのシースルー視野内の周囲光が通過して、ほとんど損失なしにユーザの目に到達することを可能にしながら、導波路ディスプレイのシースルー視野の2分の1よりも大きい入射角を有する周囲光を反射、回折、または吸収するように構成され得る。角度選択的な透過層は、例えば、1つまたは複数の誘電層、格子(例えば、メタ格子)などの回折素子、ナノ構造体(例えば、ナノワイヤ、ナノピラー、ナノプリズム、ナノピラミッド)、および同様のものを含み得るコーティングを含み得る。 External light (eg, from an external light source such as a lamp or the sun) may be reflected at the surface of the grating coupler and return to the grating coupler, and the reflected light may be diffracted by the grating coupler to produce a rainbow image. In some waveguide displays, ambient light with large angles of incidence outside the see-through field of view of the waveguide display can also be diffracted by the grating coupler to produce a rainbow image. According to some embodiments, additional structures such as reflective coating layers (e.g., for light from a large see-through FOV) and/or anti-reflection coating layers (e.g., for light from a small see-through FOV) are It can be used in waveguide displays to reduce optical artifacts such as the rainbow effect. For example, an angle-selective transmissive layer can be placed in front of (or behind) the waveguide and the grating coupler of the waveguide display to reduce artifacts caused by external light sources. The angle-selective transmissive layer allows ambient light within the see-through field of view of the near-eye display to pass through and reach the user's eye with little loss, while reducing the see-through field of view to half that of the waveguide display. can be configured to reflect, diffract, or absorb ambient light having angles of incidence greater than . Angularly selective transmissive layers include, for example, one or more dielectric layers, diffractive elements such as gratings (eg, metagratings), nanostructures (eg, nanowires, nanopillars, nanoprisms, nanopyramids), and the like. It can contain a coating that can contain things.
図38は、特定の実施形態に従う、反射防止層3850および角度選択的な透過層3840を含む導波路ディスプレイ3800の例を例証する。導波路ディスプレイ3800は、導波路3810、および導波路3810の下面に格子カプラ3820を含み得る。格子カプラ3820は、上に説明される格子カプラと同様であり得る。導波路3810に入射する外部光3830は、外部光3832として導波路3810内へ屈折され得、次いで、格子カプラ3820によって回折され得る。回折光は、0次回折3834(例えば、屈折回折)および-1次回折(示されない)を含み得る。格子カプラ3820の高さ、周期、および/または傾斜角は、-1次回折が、外部光について低減または最小限にされ得るように構成され得る。
FIG. 38 illustrates an
導波路ディスプレイ3800は、格子カプラ3820の下面3822に反射防止層3850を含み得る。反射防止層3850は、例えば、下面3822に被覆された1つもしくは複数の誘電薄膜層または他の反射防止層を含み得、下面3822において外部光の反射を低減するために使用され得る。故に、格子カプラ3820の下面3822において反射されて格子カプラ3820に戻り得る外部光はほとんどなく、したがって、さもなければ格子カプラ3820によって下面3822において反射される外部光の回折に起因して形成され得るレインボーゴーストは、低減または最小限にされ得る。表示光のいくつかの部分は、格子カプラ3820によって回折され得、ユーザの目の方へ導波路3810からカップリングアウトされ得る(例えば、-1次回折に起因して)。反射防止層3850はまた、格子カプラ3820によって導波路3810からカップリングアウトされる表示光の部分の反射を低減するのを助け得る。
角度選択的な透過層3840は、導波路3810の上面または格子カプラ3820に被覆され得る。角度選択的な透過層3840は、特定のしきい値よりも大きい入射角を有する入射光について、高反射性、高回折効率、または高吸収を有し得、しきい値よりも低い入射角を有する入射光については低損失を有し得る。しきい値は、導波路ディスプレイ3800のシースルー視野に基づいて決定され得る。例えば、シースルー視野よりも大きい入射角を有する入射光3860は、角度選択的な透過層3840によって、大半が反射、回折、または吸収され得、故に、導波路3810に到達しない場合がある。シースルー視野内の入射角を有する外部光3830は、大半が、角度選択的な透過層および導波路3810を通過し得、格子カプラ3820によって屈折または回折され得る。
An angle-
上に説明される角度選択的な透過層3840は、様々なやり方で実装され得る。いくつかの実施形態において、角度選択的な透過層は、1つまたは複数の誘電層(またはエアギャップ)を含み得る。各誘電層は、それぞれの屈折率を有し得、隣接する誘電層は、異なる屈折率を有し得る。いくつかの実施形態において、角度選択的な透過層は、例えば、マイクロミラーまたはプリズム、格子、メタ格子、ナノワイヤ、ナノピラー、または他のマイクロもしくはナノ構造体を含み得る。いくつかの例において、角度選択的な透過層は、基板上に形成される小さい格子周期を有する格子(例えば、表面レリーフ格子またはホログラフィック格子)を含み得る。格子は、大きい入射角(例えば、約75°~約90°)を有する光のみを回折し得、回折光は、回折光がアイボックスに到達することができないような方向に伝播し得る。格子周期は、角度選択的な透過層がシースルー視野内の光に影響を及ぼし得ないように、例えば、280nm未満(例えば、約200nm)であり得る。いくつかの例において、角度選択的な透過層は、大きい入射角を有する入射光を反射、回折、または吸収し得るマイクロスケールまたはナノスケールの異方構造体を含み得る。異方構造体は、例えば、透明媒質、ナノワイヤアレイ、特定の液晶材料、および同様のものの中に整列および浸漬された大きいアスペクト比のナノ粒子を含み得る。
The angle-
本発明の実施形態は、人工現実システムの構成要素を実装するために使用され得るか、または人工現実システムと併せて実装され得る。人工現実は、例えば、仮想現実(VR)、拡張現実(AR)、複合現実(MR)、ハイブリッド現実、またはそれらの何らかの組み合わせおよび/もしくは派生物を含み得る、ユーザへの提示前に何らかの様式で調節されている現実の形態である。人工現実コンテンツは、完全に生成したコンテンツ、または捕捉した(例えば、現実世界)コンテンツと組み合わせた生成したコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、動画、音声、触覚フィードバック、またはそれらの何らかの組み合わせを含み得、それらのうちのいずれかが、単一のチャネルまたは複数のチャネルにおいて提示され得る(視聴者に三次元効果をもたらすステレオ動画像など)。加えて、いくつかの実施形態において、人工現実はまた、例えば、人工現実においてコンテンツを作成するために使用される、および/または人工現実において別途使用される(例えば、人工現実においてアクティビティを実施する)、アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらの何らかの組み合わせと関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたヘッドマウントディスプレイ(HMD)、スタンドアローンHMD、モバイルデバイスもしくはコンピューティングシステム、または1もしくは複数の視聴者に人工現実コンテンツを提供することができる任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォームに実装され得る。 Embodiments of the invention may be used to implement components of an artificial reality system, or may be implemented in conjunction with an artificial reality system. Artificial reality may include, for example, virtual reality (VR), augmented reality (AR), mixed reality (MR), hybrid reality, or any combination and/or derivative thereof, in some manner prior to presentation to a user. It is a form of reality that is being adjusted. Artificial reality content may include fully generated content or generated content combined with captured (eg, real-world) content. Artificial reality content may include video, audio, haptic feedback, or some combination thereof, any of which may be presented in a single channel or multiple channels (providing a three-dimensional effect to the viewer). stereo moving images, etc.). Additionally, in some embodiments, artificial reality is also used, for example, to create content in artificial reality and/or otherwise used in artificial reality (e.g., to conduct activities in artificial reality). ), applications, products, accessories, services, or some combination thereof. An artificial reality system that provides artificial reality content provides artificial reality content to a head-mounted display (HMD) connected to a host computer system, a standalone HMD, a mobile device or computing system, or one or more viewers. It can be implemented on a variety of platforms, including any other hardware platform capable.
図39は、本明細書に開示される例のいくつかを実施するための、例となるニアアイディスプレイ(例えば、HMDデバイス)の例となる電子システム3900の簡略ブロック図である。電子システム3900は、上に説明されるHMDデバイスまたは他のニアアイディスプレイの電子システムとして使用され得る。この例では、電子システム3900は、1つまたは複数のプロセッサ3910およびメモリ3920を含み得る。プロセッサ3910は、いくつかの構成要素において動作を実施するための命令を実行するように構成され得、例えば、汎用プロセッサ、またはポータブル電子デバイス内の実装に好適なマイクロプロセッサであり得る。プロセッサ3910は、電子システム3900内の複数の構成要素と通信可能に結合され得る。この通信可能な結合を実現するため、プロセッサ3910は、バス3940にわたる他の例証された構成要素と通信し得る。バス3940は、電子システム3900内でデータを転送するように適合される任意のサブシステムであってもよい。バス3940は、データを転送するために複数のコンピュータバスおよび追加の回路を含み得る。
FIG. 39 is a simplified block diagram of an example
メモリ3920は、プロセッサ3910に結合され得る。いくつかの実施形態において、メモリ3920は、短期および長期記憶の両方を提供し得、いくつかのユニットに分割され得る。メモリ3920は、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)および/もしくはダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)などの揮発性、ならびに/またはリードオンリメモリ(ROM)、フラッシュメモリ、および同様のものなどの不揮発性であってもよい。さらには、メモリ3920は、セキュアデジタル(SD)カードなどのリムーバブルストレージデバイスを含み得る。メモリ3920は、電子システム3900のためのコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、および他のデータのストレージを提供し得る。いくつかの実施形態において、メモリ3920は、異なるハードウェアモジュールに分散され得る。命令および/またはコードのセットが、メモリ3920に記憶され得る。命令は、電子システム3900によって実行可能であり得る実行可能なコードの形態をとり得、ならびに/または、電子システム3900上でのコンパイルおよび/もしくはインストール(例えば、様々な一般的に利用可能なコンパイラ、インストールプログラム、圧縮/解凍ユーティリティなどのいずれかを使用すること)の際に実行可能なコードの形態をとり得る、ソースおよび/もしくはインストール可能なコードの形態をとり得る。
Memory 3920 may be coupled to
いくつかの実施形態において、メモリ3920は、任意の数のアプリケーションを含み得る複数のアプリケーションモジュール3922~3924を記憶し得る。アプリケーションの例は、ゲーミングアプリケーション、会議アプリケーション、動画再生アプリケーション、または他の好適なアプリケーションを含み得る。アプリケーションは、奥行き感知機能またはアイトラッキング機能を含み得る。アプリケーションモジュール3922~3924は、プロセッサ3910によって実行されるべき特定の命令を含み得る。いくつかの実施形態において、特定のアプリケーションまたはアプリケーションモジュール3922~3924の部分は、他のハードウェアモジュール3980によって実行可能であり得る。特定の実施形態において、メモリ3920は、追加的に、コピーまたはセキュアな情報への他の不正アクセスを防ぐために追加のセキュリティ制御を含み得るセキュアメモリを含み得る。
In some embodiments, memory 3920 may store multiple application modules 3922-3924, which may include any number of applications. Examples of applications may include gaming applications, conferencing applications, video playback applications, or other suitable applications. Applications may include depth sensing or eye tracking functionality. Application modules 3922 - 3924 may contain specific instructions to be executed by
いくつかの実施形態において、メモリ3920は、そこにロードされたオペレーティングシステム3925を含み得る。オペレーティングシステム3925は、アプリケーションモジュール3922~3924によって提供される命令の実行を開始するように、および/または、1つもしくは複数のワイヤレストランシーバを含み得るワイヤレス通信サブシステム3930を用いて他のハードウェアモジュール3980ならびにインターフェースを管理するように動作可能であり得る。オペレーティングシステム3925は、スレッディング、リソース管理、データ記憶制御、および他の同様の機能性を含む、電子システム3900の構成要素にわたる他の動作を実施するように適合され得る。
In some embodiments, memory 3920 may include an operating system 3925 loaded thereon. Operating system 3925 initiates execution of instructions provided by application modules 3922-3924 and/or other hardware modules using
ワイヤレス通信サブシステム3930は、例えば、赤外通信デバイス、ワイヤレス通信デバイスおよび/もしくはチップセット(ブルートゥース(登録商標)デバイス、IEEE802.11デバイス、Wi-Fiデバイス、WiMaxデバイス、セルラ通信施設など)、ならびに/または同様の通信インターフェースを含み得る。電子システム3900は、ワイヤレス通信サブシステム3930の部分として、またはシステムの任意の部分に結合された別個の構成要素として、ワイヤレス通信のための1つまたは複数のアンテナ3934を含み得る。所望の機能性に応じて、ワイヤレス通信サブシステム3930は、ワイヤレス広域ネットワーク(WWAN)、ワイヤレスローカルエリアネットワーク(WLAN)、またはワイヤレスパーソナルエリアネットワーク(WPAN)などの異なるデータネットワークおよび/またはネットワークタイプと通信することを含み得る、ベーストランシーバ基地局ならびに他のワイヤレスデバイスおよびアクセスポイントと通信するために別個のトランシーバを含み得る。WWANは、例えば、WiMax(IEEE802.16)ネットワークであってもよい。WLANは、例えば、IEEE802.11xネットワークであってもよい。WPANは、例えば、ブルートゥースネットワーク、IEEE802.15x、またはいくつかの他のタイプのネットワークであってもよい。本明細書に説明される技法は、WWAN、WLAN、および/またはWPANの任意の組み合わせのためにも使用され得る。ワイヤレス通信サブシステム3930は、データが、ネットワーク、他のコンピュータシステム、および/または本明細書に説明される任意の他のデバイスと交換されることを許可し得る。ワイヤレス通信サブシステム3930は、アンテナ3934およびワイヤレスリンク3932を使用して、HMDデバイスの識別子、位置データ、地理的地図、ヒートマップ、写真、または動画などのデータを送信または受信するための手段を含み得る。ワイヤレス通信サブシステム3930、プロセッサ3910、およびメモリ3920は一緒に、本明細書に開示されるいくつかの機能を実施するための手段のうちの1つまたは複数の少なくとも一部を備え得る。
電子システム3900の実施形態はまた、1つまたは複数のセンサ3990を含み得る。センサ3990は、例えば、画像センサ、加速度計、圧力センサ、温度センサ、近接センサ、磁力計、ジャイロスコープ、慣性センサ(例えば、加速度計およびジャイロスコープを組み合わせたモジュール)、周囲光センサ、または、奥行きセンサもしくは位置センサなど、センサ出力を提供するように、および/もしくはセンサ入力を受信するように動作可能な任意の他の同様のモジュールを含み得る。例えば、いくつかの実装形態において、センサ3990は、1つもしくは複数の慣性測定ユニット(IMU)および/または1つもしくは複数の位置センサを含み得る。IMUは、位置センサのうちの1つまたは複数から受信される測定信号に基づいて、HMDデバイスの初期位置に対するHMDデバイスの推定位置を示す較正データを生成し得る。位置センサは、HMDデバイスの動きに応答して1つまたは複数の測定信号を生成し得る。位置センサの例は、限定されるものではないが、1つもしくは複数の加速度計、1つもしくは複数のジャイロスコープ、1つもしくは複数の磁力計、動きを検出する別の好適なタイプのセンサ、IMUの誤り補正のために使用されるタイプのセンサ、またはそれらの何らかの組み合わせを含み得る。位置センサは、IMUの外部に、IMUの内部に、またはそれらの任意の組み合わせで位置し得る。少なくともいくつかのセンサは、センシングのために構造化光パターンを使用し得る。
Embodiments of
電子システム3900は、ディスプレイモジュール3960を含み得る。ディスプレイモジュール3960は、ニアアイディスプレイであってもよく、画像、動画、および様々な命令などの情報を、電子システム3900からユーザへ図式で提示し得る。そのような情報は、1つまたは複数のアプリケーションモジュール3922~3924、仮想現実エンジン3926、1つもしくは複数の他のハードウェアモジュール3980、それらの組み合わせ、またはユーザのためのグラフィックコンテンツを(例えば、オペレーティングシステム3925によって)分解するための任意の他の好適な手段から導出され得る。ディスプレイモジュール3960は、液晶ディスプレイ(LCD)技術、発光ダイオード(LED)技術(例えば、OLED、ILED、μLED、AMOLED、TOLEDなどを含む)、発光ポリマーディスプレイ(LPD)技術、または何らかの他のディスプレイ技術を使用し得る。
電子システム3900は、ユーザ入力/出力モジュール3970を含み得る。ユーザ入力/出力モジュール3970は、ユーザがアクション要求を電子システム3900に送信することを可能にし得る。アクション要求は、特定のアクションを実施するための要求であってもよい。例えば、アクション要求は、アプリケーションを開始もしくは終了すること、またはアプリケーション内で特定のアクションを実施することであってもよい。ユーザ入力/出力モジュール3970は、1つまたは複数の入力デバイスを含み得る。例となる入力デバイスは、タッチスクリーン、タッチパッド、マイク、ボタン、ダイアル、スイッチ、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、またはアクション要求を受信し、受信したアクション要求を電子システム3900に通信するための任意の他の好適なデバイスを含み得る。いくつかの実施形態において、ユーザ入力/出力モジュール3970は、電子システム3900から受信した命令に従ってユーザに触覚フィードバックを提供し得る。例えば、触覚フィードバックは、アクション要求が受信されるとき、または実施されたときに提供され得る。
電子システム3900は、例えば、ユーザの目の位置をトラッキングするための、ユーザの写真または動画を撮るために使用され得るカメラ3950を含み得る。カメラ3950はまた、例えば、VR、AR、またはMRアプリケーションのための環境の写真または動画を撮るために使用され得る。カメラ3950は、例えば、数百万または数千万の画素を有する相補形金属酸化膜半導体(CMOS)画像センサを含み得る。いくつかの実装形態において、カメラ3950は、3D画像を捕捉するために使用され得る2つ以上のカメラを含み得る。
The
いくつかの実施形態において、電子システム3900は、複数の他のハードウェアモジュール3980を含み得る。他のハードウェアモジュール3980の各々は、電子システム3900内の物理モジュールであってもよい。他のハードウェアモジュール3980の各々は、構造体として永久に構成され得るが、他のハードウェアモジュール3980のいくつかは、特定の機能を実施するように一時的に構成され得るか、または一時的に起動され得る。他のハードウェアモジュール3980の例は、例えば、音声出力および/または入力モジュール(例えば、マイクまたはスピーカ)、近距離無線通信(NFC)モジュール、再充電バッテリ、バッテリ管理システム、有線/ワイヤレスバッテリ充電システムなどを含み得る。いくつかの実施形態において、他のハードウェアモジュール3980の1つまたは複数の機能は、ソフトウェアにおいて実施され得る。
In some embodiments,
いくつかの実施形態において、電子システム3900のメモリ3920はまた、仮想現実エンジン3926を記憶し得る。仮想現実エンジン3926は、電子システム3900内でアプリケーションを実行し、HMDデバイスの位置情報、加速度情報、速度情報、予測した今後の位置、またはそれらの何らかの組み合わせを様々なセンサから受信し得る。いくつかの実施形態において、仮想現実エンジン3926によって受信される情報は、ディスプレイモジュール3960への信号(例えば、表示命令)を生成するために使用され得る。例えば、受信した情報が、ユーザが左を見たことを示す場合、仮想現実エンジン3926は、仮想環境におけるユーザの運動を左右逆にする、HMDデバイスのためのコンテンツを生成し得る。加えて、仮想現実エンジン3926は、ユーザ入力/出力モジュール3970から受信されるアクション要求に応答してアプリケーション内のアクションを実施し、フィードバックをユーザに提供し得る。提供されたフィードバックは、視覚、可聴、または触覚フィードバックであり得る。いくつかの実装形態において、プロセッサ3910は、仮想現実エンジン3926を実行し得る1つまたは複数のGPUを含み得る。
In some embodiments, memory 3920 of
様々な実装形態において、上で説明したハードウェアおよびモジュールは、単一のデバイス、または有線もしくはワイヤレス接続を使用して互いと通信することができる複数のデバイスに実装され得る。例えば、いくつかの実装形態において、GPU、仮想現実エンジン3926、およびアプリケーション(例えば、トラッキングアプリケーション)などのいくつかの構成要素またはモジュールは、ヘッドマウントディスプレイデバイスとは別個のコンソールに実装され得る。いくつかの実装形態において、1つのコンソールが、2つ以上のHMDに接続され得るか、またはこれをサポートし得る。
In various implementations, the hardware and modules described above can be implemented in a single device or multiple devices that can communicate with each other using wired or wireless connections. For example, in some implementations, some components or modules such as the GPU,
代替の構成において、異なるおよび/または追加の構成要素が、電子システム3900に含まれてもよい。同様に、構成要素のうちの1つまたは複数の機能性は、上に説明される様式とは異なる様式で構成要素間に分散され得る。例えば、いくつかの実施形態において、電子システム3900は、ARシステム環境および/またはMR環境などの他のシステム環境を含むために修正され得る。
Different and/or additional components may be included in
上で論じられる方法、システム、およびデバイスは、例である。様々な実施形態は、必要に応じて、様々な手順または構成要素を省略、置換、または追加し得る。例えば、代替の構成において、説明される方法は、説明されるものとは異なる順で実施され得、および/または様々なステージが、追加される、省略される、および/または組み合わされ得る。また、特定の実施形態に関して説明される特徴は、様々な他の実施形態において組み合わされ得る。実施形態の異なる態様および要素は、同様の様式で組み合わされ得る。また、技術は進化するものであり、故に、要素の多くは、本発明の範囲をそれらの特定の例に限定しない例である。 The methods, systems, and devices discussed above are examples. Various embodiments may omit, substitute, or add various procedures or components as appropriate. For example, in alternative arrangements, the methods described may be performed in a different order than described, and/or various stages may be added, omitted, and/or combined. Also, features described with respect to certain embodiments may be combined in various other embodiments. Different aspects and elements of the embodiments can be combined in a similar manner. Also, technology evolves, and thus many of the elements are examples that do not limit the scope of the invention to those particular examples.
特定の詳細事項は、実施形態の完全な理解を提供するために説明において与えられる。しかしながら、実施形態は、これらの特定の詳細事項なしに実践され得る。例えば、周知の回路、プロセス、システム、構造体、および技法は、実施形態を不明瞭にすることを回避するために、不必要な詳細事項なしに示されている。この説明は、例となる実施形態を提供するにすぎず、本発明の範囲、適用性、または構成を制限することは意図されない。むしろ、実施形態の前述の説明は、様々な実施形態を実施するための実用可能な説明を当業者に提供するものである。様々な変更が、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置においてなされ得る。 Specific details are given in the description to provide a thorough understanding of the embodiments. However, embodiments may be practiced without these specific details. For example, well-known circuits, processes, systems, structures, and techniques have been shown without unnecessary detail in order to avoid obscuring the embodiments. This description provides exemplary embodiments only and is not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the invention. Rather, the preceding description of the embodiments will provide those skilled in the art with an enabling description for implementing various embodiments. Various changes may be made in the function and arrangement of elements without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.
また、いくつかの実施形態は、フロー図またはブロック図として描写されたプロセスとして説明された。各々は逐次プロセスとして動作を説明し得るが、動作の多くは、並行して、または同時に実施され得る。加えて、動作の順序は、並べ替えられてもよい。プロセスは、図に含まれない追加のステップを有し得る。さらには、本方法の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはそれらの任意の組み合わせによって実施され得る。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、またはマイクロコードにおいて実施されるとき、関連タスクを実施するためのプログラムコードまたはコードセグメントは、記憶媒体などのコンピュータ可読媒体に記憶され得る。プロセッサが、関連タスクを実施し得る。 Also, some embodiments have been described as processes depicted as flow diagrams or block diagrams. Although each may describe the operations as a sequential process, many of the operations can be performed in parallel or concurrently. Additionally, the order of operations may be rearranged. A process may have additional steps not included in the figure. Moreover, embodiments of the method may be implemented by hardware, software, firmware, middleware, microcode, hardware description languages, or any combination thereof. When implemented in software, firmware, middleware, or microcode, the program code or code segments for performing the relevant tasks may be stored on a computer-readable medium such as a storage medium. A processor may perform related tasks.
実質的な変動が特定の要件に従ってなされ得ることは当業者には明らかである。例えば、カスタマイズされたハードウェアもしくは特定用途向けハードウェアもまた使用され得、および/または特定の要素は、ハードウェア、ソフトウェア(アップレットなどのポータブルソフトウェアを含む)、または両方において実装され得る。さらに、ネットワーク入力/出力デバイスなどの他のコンピューティングデバイスへの接続が採用され得る。 It is clear to those skilled in the art that substantial variations can be made according to specific requirements. For example, customized or special-purpose hardware may also be used, and/or particular elements may be implemented in hardware, software (including portable software such as applets), or both. Additionally, connections to other computing devices, such as network input/output devices, may be employed.
添付の図を参照して、メモリを含み得る構成要素は、非一時的なマシン可読媒体を含み得る。用語「マシン可読媒体」および「コンピュータ可読媒体」は、マシンを特定の方式で動作させるデータを提供することに参加する任意の記憶媒体を指し得る。本明細書内の上に提供される実施形態において、様々なマシン可読媒体は、命令/コードを実行のために処理ユニットおよび/または他のデバイスに提供することに関与し得る。追加的または代替的に、マシン可読媒体は、そのような命令/コードを記憶および/または保持するために使用され得る。多くの実装形態において、コンピュータ可読媒体は、物理および/または有形記憶媒体である。そのような媒体は、限定されるものではないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含む、多くの形態をとり得る。コンピュータ可読媒体の一般的形態は、例えば、コンパクトディスク(CD)もしくはデジタル多用途ディスク(DVD)などの磁気および/または光学媒体、パンチカード、ペーパーテープ、穴のパターンを有する任意の他の物理媒体、RAM、プログラマブルリードオンリメモリ(PROM)、消去可能なプログラマブルリードオンリメモリ(EPROM)、FLASH-EPROM、任意の他のメモリチップもしくはカートリッジ、本明細書内で以後説明されるような搬送波、またはコンピュータが命令および/もしくはコードを読むことができる任意の他の媒体を含み得る。コンピュータプログラム製品は、手順、機能、サブプログラム、プログラム、ルーチン、アプリケーション(App)、サブルーチン、モジュール、ソフトウェアパッケージ、クラス、または、命令、データ構造、もしくはプログラムステートメントの任意の組み合わせを表し得る、コードおよび/またはマシン実行可能命令を含み得る。 With reference to the accompanying figures, components that may include memory may include non-transitory machine-readable media. The terms "machine-readable medium" and "computer-readable medium" can refer to any storage medium that participates in providing data that causes a machine to operate in a specified manner. In the embodiments provided hereinabove, various machine-readable media may be involved in providing instructions/code to a processing unit and/or other device for execution. Additionally or alternatively, a machine-readable medium may be used to store and/or retain such instructions/code. In many implementations, a computer-readable medium is a physical and/or tangible storage medium. Such a medium may take many forms, including but not limited to, non-volatile media, volatile media, and transmission media. Common forms of computer-readable media include, for example, magnetic and/or optical media such as compact discs (CDs) or digital versatile discs (DVDs), punch cards, paper tape, any other physical media having a pattern of holes. , RAM, programmable read-only memory (PROM), erasable programmable read-only memory (EPROM), FLASH-EPROM, any other memory chip or cartridge, carrier wave as described hereinafter, or computer may include any other medium on which instructions and/or code can be read. A computer program product may represent procedures, functions, subprograms, programs, routines, applications (Apps), subroutines, modules, software packages, classes, or any combination of instructions, data structures, or program statements, code and /or may include machine-executable instructions.
当業者は、本明細書に説明されるメッセージを通信するために使用される情報および信号が、様々な異なる技術および技法のいずれかを使用して表され得ることを理解するものとする。例えば、上の説明全体を通して言及され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、符号、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは磁性粒子、光場もしくは光粒子、またはそれらの任意の組み合わせによって表され得る。 Those of skill in the art should understand that the information and signals used to communicate the messages described herein may be represented using any of a variety of different technologies and techniques. For example, data, instructions, commands, information, signals, bits, codes, and chips that may be referred to throughout the above description may refer to voltages, currents, electromagnetic waves, magnetic fields or magnetic particles, light fields or particles, or any of these. It can be represented by a combination.
用語「および(and)」および「または(or)」は、本明細書で使用される場合、そのような用語が使用される文脈に少なくとも部分的に依存することも予期される様々な意味を含み得る。典型的には、「または」は、A、B、またはCなどのリストを関連付けるために使用される場合、包含的意味で使用される、A、B、およびC、ならびに排他的意味で使用される、A、B、またはCを意味することが意図される。加えて、用語「1つまたは複数」は、本明細書で使用される場合、任意の特徴、構造体、または特性を単数で説明するために使用され得るか、特徴、構造体、または特性の何らかの組み合わせを説明するために使用され得る。しかしながら、これは単に例証的な例であり、特許請求された主題はこの例に限定されないことに留意されたい。さらには、用語「少なくとも1つ」は、A、B、またはCなど、リストを関連付けるために使用される場合、A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCCなど、A、B、および/またはCの任意の組み合わせを意味するように解釈され得る。 The terms "and" and "or", as used herein, have various meanings that are also expected to depend, at least in part, on the context in which such terms are used. can contain. Typically, when used to associate lists such as A, B, or C, "or" is used in an inclusive sense, A, B, and C, and is used in an exclusive sense. is intended to mean A, B, or C. In addition, the term “one or more,” as used herein, may be used to describe any feature, structure, or property in the singular or to describe any feature, structure, or property. Can be used to describe any combination. Note, however, that this is merely an illustrative example and claimed subject matter is not limited to this example. Further, the term "at least one" when used to associate lists such as A, B, or C means A, AB, AC, BC, AA, ABC, AAB, AABBCCC, etc., A, B, and/or may be taken to mean any combination of C.
さらに、特定の実施形態は、ハードウェアおよびソフトウェアの特定の組み合わせを使用して説明されているが、ハードウェアおよびソフトウェアの他の組み合わせも可能であるということを理解されたい。特定の実施形態は、ハードウェアのみ、またはソフトウェアのみ、またはそれらの組み合わせを使用して、実施され得る。1つの例において、ソフトウェアは、本開示に説明されるステップ、動作、またはプロセスのいずれかまたはすべてを実施するための1つまたは複数のプロセッサによって実行可能なコンピュータプログラムコードまたは命令を含むコンピュータプログラム製品と共に実装され得る。本明細書に説明される様々なプロセスは、同じプロセッサまたは任意の組み合わせにある異なるプロセッサ上で実施され得る。 Furthermore, although certain embodiments have been described using a particular combination of hardware and software, it should be appreciated that other combinations of hardware and software are possible. Certain embodiments may be implemented using hardware only, software only, or a combination thereof. In one example, software is a computer program product comprising computer program code or instructions executable by one or more processors to perform any or all of the steps, acts, or processes described in this disclosure. can be implemented with The various processes described herein may be performed on the same processor or different processors in any combination.
デバイス、システム、構成要素、またはモジュールが、特定の動作または機能を実施するように構成されるものと説明される場合、そのような構成は、例えば、動作を実施するように電子回路を設計することによって、コンピュータ命令もしくはコードを実行することによってなど、動作を実施するようにプログラム可能電子回路(マイクロプロセッサなど)をプログラムすることによって、または非一時的なメモリ媒体に記憶されたコードもしくは命令を実行するようにプログラムされたプロセッサもしくはコア、またはそれらの任意の組み合わせによって達成され得る。プロセスは、プロセス間通信のための従来の技法を含むが、これに限定されない様々な技法を使用して通信することができ、異なるプロセス対は、異なる技法を使用し得るか、同じプロセス対は、異なる時に異なる技法を使用し得る。 When a device, system, component, or module is described as being configured to perform a particular operation or function, such configuration refers, for example, to designing an electronic circuit to perform the operation. by programming a programmable electronic circuit (such as a microprocessor) to perform the operations, such as by executing computer instructions or code, or by executing code or instructions stored in a non-transitory memory medium It may be accomplished by a processor or core programmed to do so, or any combination thereof. Processes may communicate using a variety of techniques including, but not limited to, conventional techniques for interprocess communication, and different process pairs may use different techniques, or the same process pair may communicate using , may use different techniques at different times.
本発明は、添付の特許請求の範囲に規定される。明細書および図面は、したがって、制限的意味ではなく例証的意味と見なされるものとする。しかしながら、追加、減算、削除、ならびに他の修正および変更が、特許請求の範囲に明記される範囲から逸脱することなく、それらに対してなされ得ることは明らかである。故に、特定の実施形態が説明されているが、これらは、限定していることは意図されないものとする。様々な修正形態および等価物は、以下の特許請求項の範囲の範囲内である。
The invention is defined in the appended claims. The specification and drawings are, accordingly, to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense. However, it will be apparent that additions, subtractions, deletions, and other modifications and changes may be made thereto without departing from the scope as set forth in the claims. Thus, although specific embodiments have been described, they are not intended to be limiting. Various modifications and equivalents are within the scope of the following claims.
Claims (15)
前記基板上の、および第1の屈折率変調によって特徴付けられる、第1の反射体積ブラッグ格子(VBG)と、
前記基板上の、ならびに第1の領域および第2の領域を含む、第2の反射VBGと、を備える、導波路ディスプレイであって、
前記第1の反射VBGは、第1の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、前記第1の波長範囲にある前記表示光は、前記基板内を、全内部反射を通じて、前記第2の反射VBGの前記第1の領域および前記第2の領域まで伝播し、
前記第2の反射VBGの前記第1の領域は、前記第1の屈折率変調よりも低い第2の屈折率変調によって特徴付けられ、前記第1の波長範囲内にある第2の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、
前記第2の反射VBGの前記第2の領域は、前記第2の屈折率変調よりも大きい第3の屈折率変調によって特徴付けられ、前記第2の波長範囲を含み、またこれよりも大きい第3の波長範囲にある表示光を回折するように構成される、導波路ディスプレイ。 a substrate;
a first reflective volume Bragg grating (VBG) on the substrate and characterized by a first refractive index modulation;
a second reflective VBG on said substrate and comprising first and second regions, said waveguide display comprising:
The first reflective VBG is configured to diffract display light in a first wavelength range such that the display light in the first wavelength range undergoes total internal reflection within the substrate. through to the first region and the second region of the second reflected VBG;
The first region of the second reflective VBG is characterized by a second refractive index modulation lower than the first refractive index modulation and for a second wavelength range within the first wavelength range. configured to diffract some display light,
The second region of the second reflective VBG is characterized by a third refractive index modulation that is greater than the second refractive index modulation, includes the second wavelength range and is greater than the second refractive index modulation. A waveguide display configured to diffract display light in three wavelength ranges.
前記第1の波長範囲は、前記第3の波長範囲と同じであるか、またはこれを含む、請求項1または2に記載の導波路ディスプレイ。 the third refractive index modulation is less than or equal to the first refractive index modulation;
3. A waveguide display according to claim 1 or 2, wherein the first wavelength range is the same as or includes the third wavelength range.
前記第1の領域および第2の領域内の前記第2の反射VBGと多重化される第4の反射VBGと、をさらに備え、
前記第3の反射VBGは、第4の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、前記第4の波長範囲にある前記表示光は、前記基板内を、全内部反射を通じて、前記第4の反射VBGの前記第1の領域および前記第2の領域まで伝播し、
前記第4の反射VBGの前記第1の領域は、前記第4の屈折率変調よりも低い第5の屈折率変調によって特徴付けられ、前記第4の波長範囲内にある第5の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、
前記第4の反射VBGの前記第2の領域は、前記第5の屈折率変調よりも大きい第6の屈折率変調によって特徴付けられ、前記第5の波長範囲を含み、またこれよりも大きい第6の波長範囲にある表示光を回折するように構成される、請求項1から5のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。 a third reflective VBG multiplexed with the first reflective VBG and characterized by a fourth refractive index modulation;
a fourth reflected VBG multiplexed with the second reflected VBG in the first and second regions;
The third reflective VBG is configured to diffract display light in a fourth wavelength range such that the display light in the fourth wavelength range undergoes total internal reflection within the substrate. through to the first region and the second region of the fourth reflected VBG;
The first region of the fourth reflective VBG is characterized by a fifth refractive index modulation lower than the fourth refractive index modulation and for a fifth wavelength range within the fourth wavelength range. configured to diffract some display light,
The second region of the fourth reflective VBG is characterized by a sixth refractive index modulation that is greater than the fifth refractive index modulation, includes the fifth wavelength range and a greater than the fifth refractive index modulation. 6. A waveguide display according to any one of the preceding claims, arranged to diffract display light in six wavelength ranges.
前記第1の波長範囲および第1の視野(FOV)範囲にある表示光を回折し、また
第4の波長範囲および前記第1のFOV範囲とは異なる第2のFOV範囲にある表示光を回折するように構成されること、
前記基板が可視光を透過させ、かつ
前記第2の反射VBGが、周囲環境からの可視光を透過させること
のうちの1つまたは複数である、請求項1から6のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。 The first reflected VBG is
Diffracts display light in said first wavelength range and a first field of view (FOV) range, and diffracts display light in a fourth wavelength range and a second FOV range different from said first FOV range. be configured to
7. Any one of claims 1 to 6, wherein the substrate is one or more of transparent to visible light, and the second reflective VBG is transparent to visible light from the surrounding environment. waveguide display.
前記第2の反射VBGは、前記第1の波長範囲にある前記表示光を前記基板からカップリングアウトするように構成される、請求項1から7のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。 said first reflective VBG configured to couple said display light in said first wavelength range into said substrate;
8. A waveguide display as claimed in any preceding claim, wherein the second reflective VBG is configured to couple out the display light in the first wavelength range from the substrate.
前記第3の格子は、前記第1の反射VBGからの前記第1の波長範囲にある前記表示光を前記第4の格子へ回折するように構成され、
前記第4の格子は、前記第4の格子の2つ以上の領域における前記第1の波長範囲にある前記表示光を前記第2の反射VBGへ回折するように構成され、
任意選択的に、前記第3の格子および前記第4の格子は、前記基板の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有する、請求項8に記載の導波路ディスプレイ。 further comprising a third grating and a fourth grating;
the third grating is configured to diffract the display light in the first wavelength range from the first reflected VBG to the fourth grating;
the fourth grating is configured to diffract the display light in the first wavelength range in two or more regions of the fourth grating to the second reflected VBG;
9. A waveguide display according to claim 8, wherein optionally said third grating and said fourth grating have the same grating vector in a plane perpendicular to the surface normal direction of said substrate.
前記第2の反射VBGによって回折された前記表示光を前記基板からカップリングアウトするように構成される出力カプラと、をさらに備え、
任意選択的に、前記入力カプラおよび前記出力カプラは、多重化VBGを含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。 an input coupler configured to couple the display light in the first wavelength range into the substrate;
an output coupler configured to couple out the display light diffracted by the second reflected VBG from the substrate;
10. A waveguide display according to any one of claims 1 to 9, optionally wherein said input coupler and said output coupler comprise multiplexed VBGs.
前記表示光をコリメートし、前記表示光を前記第1の反射VBGへ向けるように構成されるプロジェクタ光学系と、をさらに備える、請求項1から10のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。 a light source configured to generate the display light;
11. A waveguide display as claimed in any preceding claim, further comprising projector optics configured to collimate the display light and direct the display light to the first reflected VBG.
前記導波路上の、および第1の屈折率変調によって特徴付けられる、第1の反射体積ブラッグ格子(VBG)と、
前記導波路上の、および異なるそれぞれの屈折率変調によって特徴付けられる複数の領域を含む、第2の反射VBGと、を備える、導波路ディスプレイであって、
前記第1の反射VBGは、第1の波長範囲および第1の視野(FOV)範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、前記第1の波長範囲および前記第1のFOV範囲にある前記表示光は、前記導波路内を、全内部反射を通じて、前記第2の反射VBGの前記複数の領域まで伝播し、
前記第2の反射VBGの前記複数の領域は、前記第1の波長範囲内の異なるそれぞれの波長範囲および前記第1のFOV範囲にある前記表示光を回折するように構成される、導波路ディスプレイ。 a waveguide that transmits visible light;
a first reflective volume Bragg grating (VBG) on the waveguide and characterized by a first refractive index modulation;
a second reflective VBG on said waveguide and comprising a plurality of regions characterized by different respective refractive index modulations, said waveguide display comprising:
The first reflective VBG is configured to diffract display light in a first wavelength range and a first field of view (FOV) range such that the first wavelength range and the first FOV the display light in range propagates in the waveguide through total internal reflection to the plurality of regions of the second reflected VBG;
A waveguide display, wherein the plurality of regions of the second reflective VBG are configured to diffract the display light within different respective wavelength ranges within the first wavelength range and the first FOV range. .
前記第2の反射VBGの前記複数の領域は、前記第1の波長範囲および前記第1のFOV範囲にある前記表示光が、第2の屈折率変調を有する前記複数の領域の第1の領域に到達した後に、前記第2の屈折率変調よりも大きい第3の屈折率変調を有する前記複数の領域の第2の領域に到達するように構成されること、
のうちの1つまたは複数である、請求項12または13に記載の導波路ディスプレイ。 at least one of the first refractive index modulation and the different respective refractive index modulations of the plurality of regions of the second reflective VBG is greater than a minimum refractive index modulation for diffraction efficiency saturation;
The plurality of regions of the second reflected VBG is a first region of the plurality of regions in which the display light in the first wavelength range and the first FOV range has a second refractive index modulation. reaching a second region of the plurality of regions having a third refractive index modulation greater than the second refractive index modulation after reaching a
14. A waveguide display according to claim 12 or 13, which is one or more of:
前記第2の反射VBGが、前記第1の波長範囲および前記第1のFOV範囲にある前記表示光を前記導波路からカップリングアウトするように構成され、周囲環境からの可視光を透過させること、
前記第3の格子が、前記第1の反射格子からの前記第1の波長範囲および前記第1のFOV範囲にある前記表示光を前記第4の格子へ回折するように構成され、
前記第4の格子が、前記第4の格子の2つ以上の領域における前記第1の波長範囲および前記第1のFOV範囲にある前記表示光を前記第2の反射VBGへ回折するように構成され、かつ
前記第3の格子および前記第4の格子が、前記導波路の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有すること
のうちの1つまたは複数である、請求項12から14のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。
The first reflected VBG is configured to couple the display light in the first wavelength range and the first FOV range into the waveguide; configured to couple out the display light in the first wavelength range and the first FOV range from the waveguide, and to transmit visible light from an ambient environment;
the third grating is configured to diffract the display light in the first wavelength range and the first FOV range from the first reflective grating to the fourth grating;
The fourth grating is configured to diffract the display light in the first wavelength range and the first FOV range in two or more regions of the fourth grating to the second reflected VBG. and said third grating and said fourth grating have the same grating vector in a plane perpendicular to the plane normal direction of said waveguide. A waveguide display according to any one of Claims 1 to 3.
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